Оптимизация дроссельных циклов на смесях и разработка на их основе установок малой производительности для получения жидких продуктов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

РГ6 од

: и Г;'.! ^

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ИНСТИТУТ (технический университет)

на правах рукописи

Потапов Григорий Геннадиевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ДРОССЕЛЬНЫХ ЦИКЛОВ НА СМЕСЯХ И РАЗРАБОТКА НА ИХ ОСНОВЕ УСТАНОВОК МАЛОЙ ПР01ЕВ0ДИТЕЛЬН0СТ1* .ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ.

, Специальность 01.04.09 - физика низких температур

Автореферат .. диссертации на соисканио ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1994 г.

I

Г

/У

Работа выполнена в Научно-производственном объединении криогенного машиностроения (НПО Кряогенм&ш), г.Балашиха и на Кафодре криогенной тэхнига Московского энергетического института.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор М.I).Боярский.

Официальные сплопэнты: доктор технических наук, профессор, А.М.Архаров;

кандидат технических наук,

Б.Д.Краковский. «Ведущая организация: Конструкторское бюро общего

машиностроения (КБОМ), г.Москва.

Защита состоится 2 2 . 0Я> 1994г. , е \Ч часов на заседании споциализироканного совета К 053.16.02 в Московском энергетическом институте, Красноказарменная ул., д.17, корпус Т, каф. ИТФ, к.206.

Отзыв, заверенный печать», просим присылать'по адресу: Москва, 105835, ГСП, Е-250, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией мо«мо ознакомиться в библиотеке МЭИ..

Автореферат разослан и " 1994г.'

Учсгай секретарь специализированного ./■'/ —

сосста-К 0-3.16.02 /- Г В.М.Мика

ъ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ-.

Актуальность теми. Установки разделения газовых смесей малой производительности (2...1С л/ч) для получения жидких продуктпз находят довольно широкое применение пръ-кдэ всего в тэх случаях, гегда важны оперативность получения продуктов, высокая наделлость и простота обслуживания. Змвсте с этим, как и в крупных установках, в малых актуально снижение удельных энергозатрат.

Перовое технических решений, используемых в крутых глдкостивх установках, на установки малой производительности по позюдяет обеспечить весь комплекс требований к ояикитолшвм ycvuiios:;u.4i этого класса.

В установках малой производительности во многих случаях получение хидкого продукта из гезовой смеси проводится последовательным сочетанием двух процессов: выделение требуемого продукта ез исходной смеси при температуре округгэщей среды к после дуицего.огаданил. Б этих условиях для разделения газовых смессй чаще всего используют мембранный метод, абсорбцию или короткоцикловую безнагрегную адсорб-

ЦЮ).

• Дальнейшее улучшение характеристик установок малой' производительности в значительной степени определяется ьозможностя'ми ïï'.iстроения энергетически эффективных и надежных систем криогенного обосио-чения . для одновременного получения холода в широком интервале от ., температуры окружающей среда до криотемператур, при которых сгу.жчо-шй поток конденсируется.

Наиболее перспективны для этих целей дроссельные регенеративные системы (ДРС) на многокомпонентных рабочих телах (МРТ), катсрио интенсивно развиваются в последнее время превде всего благодаря вкладу отечественных исследователей.

Многие задачи, необходимые для построения шескосффектакных ДГС ла МРТ уже решены в теории и экспериментах. Но применение этих систем для.производства жидких продуктов в установках малой прсизьоди-тельносги требует решения ряда как частных, так и общи задач, созываемых спецификой взаимодействия узлов разделения и ожизкшия. ";Гс >' Ведь работы: разработать методику и программное оОеспечегато сп? ; тонизации ДРС. на смесях для " установок малой производительности и ■•.'^бкепвриментгльно подтвердить ее пригодность на опытном лаборагорном • : образца ожижителя азота.. Провести анализ принципиальных схвм жидкостных* установок с ДРС на МРТ для определения целесообразности применения их в других областях.

Научная новизна результатов.

I. Разработана методика коррекции состава М1*Г в ДРС под змданную тепловую нагрузку на основа температурных интерволов интонгивгах фазовых переходов,. Программный продукт, основашшй на этой методике.

позволяет оперативно, е режиме диалога с ЭВМ, выбирать оптимальные состав МРТ, обеспочиЕалцэго минимальные энергозатраты в ДРС на сме-zsix для любого распределения тепловой нагрузки по температурам. Методика позволяет проводить оптимизацию режимов криостатированил ели неизотьрмическэго охлпкденкя объекта.

2. Впервые получены эяоргетические характеристики оюаштеля азота мглой производительности с предварительным охлаждением на МРТ и определены характеристики трохпоточного теплообменника.

3. ГЕсчо1ко-эксперикептальным путем подтверждено, что характеристики ожижителей могут быть предсказаны на основе термодинамической оптимизации при заданных технических характеристиках компрессоров и теялообмогаюго оборудования.

4. Предлоиень универсальные функциональные схемы малых жидкостных установок с предварительным охлаждением на МРТ и выделены активные, параметры для оптимизации: температура предварительного охлаждения и давления как в процессах разделения, так и последующего ожижения.

Автор выносит яа защиту результаты, обладающие научной новизной, а такие программу оценочных расчетов площади поверхности теплообмена и гидравлических сопротивлений трэхпоточных теплообменников, применяемых ь ДРС на смесях, для предварительного охлаждения технологических потеков.

Практическая ценность и реализация результатов:

1. Предложений обобщенный алгоритм оптимизации состава МРТ для ДРС реализован в виде программного продукта на персональном компьютера .

2. Создана программа, позволяющая проводить расчеты площади теплообмена и гидравлических сопротивлений трехпоточных теплообменников с движением потоков в трубах для дальнейшей оптимизации и экспериментальной доводки опытных образцов ДРС на смесях.

3. Выбранные схема, оборудование и МРТ обеспечивают непрерывную работу установки малой производительности для получения жидкого азота из воздуха с использованием -холодильного компрессора с жидкой смазкой. Удельные энергозатраты (1.3 кВт.ч/л К*) соответствуют'уровню лучикх современных образцов..азотных установок, данного класса с солее слоимой конструкцией. . '

4. Изучены энергетический, характеристики перспективной схемы уста-ковки малой производительности для получения гкдкего диоксида углерода с предварительным охлаздением циклом па МРТ, которая обеспечивает энергопотребление (0.21 кВт.ч/кг СО*) на уровне ныне существующих при значительном упрощении технологической схемы.

5. Проведен термодинамический анализ схем установок для получения сяикаиного природного газа (СПГ). Предложена схема с предварительным охлаждением МРТ и удельным энергопотреблением ва урэннз

0.4+0.5 кВт•ч/кг ОПТ. От"ранее предложенных схем она отличается относительной простотой, надежностью и использованием уда разработанных турбокомпрессоров.

Результаты работа использовались прп разработке установки малой производительности для производства кидкого азота из го-духа, прого-дичой в соотрэтстеии с Государственной программой "Смеси" I!7C30II ь НПО Криогенмаш, а также з согместных работах с Конструкторстклл бюро обшего мааиностроенил (КБОМ) по разработке ожижителя природного газа й с Государственным институтом азотной промияшэкгюоти (ГНАЛ) по разработав установки малой производительности для получения ¡гадкого диоксида углерода.

Апробация работы. Основные научные положения и отделыше фрагмент диссертации била представлены на: I Ыеадународной ксп$прошсш по технике. низких температур (г.Кошице ЧССР 1390г. >; Международной научно-практической конференции "Крисгеника-91Н (г.Москва 1991г.); , Всесоюзной научно-тохнической конференции ' "Холод - народному хозяйству" (г.Санкт-Петербурге 1ЭЭ1г.}; 14-й Международной конференции по криогенной технике и материалам (г.Киев 1992г.).

. .. Публикации. Основные положения работа изложены в 7 работах.

Объем и структура диссертации. Работа изложена нз 117 страницах, содержит 42 рисунка, 13 таблиц и состоит из введения, пяти раз-делоз, выводов. Библиография содержит 88 наименований.

. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

- Во • введении дана |фаткая характеристика области исслодоьаьргя, обоснована актуальность темы и сформулировашш задачи, стоящие ¡ирод работой.

В первой главе содержится краткий анализ методов для получения окижаемых продуктов (азота и диоксида углерода) из исходной газовой ' смеси и последукщего ожижения в установках малой производительности. Здесь же показало, что для предварительного охлаждения ожигаемого потока могут эффективно применяться ДРС на МРТ.

;В работе проведен литера?уршй анализ различных способов получения газообразного азота из воздуха. Он показал, что в установках малой производительности для производства *ядкого азота из росду>з эффективнее всего применять способ получения газообразного азота при :;.томпературзх; окружающей среды (мембраны или короткоциклоЕая беснаг-..ревная абсорбция), которые характеризуются простой и надежной конструкцией;.., при высоком коэФ1ициентв извлечения продукта. Основная трудность' при ожижении азота, получаемого в блоке разделения при температура'окружающей среды, состоит в том, что поток газообразного азота поступает 'в блок ожижения при относительно невысоком давлении 0.7+2.5 МПа.'

В этой же главе проведен анализ различных методов получения да-

о

оксида углерода из лиловых газов п бшгаза. Показано, что аффективный способ моадт Лить основан на проиессо абсорбиионяо-десорбцконной : комгрессги. в этом случае даЕление диоксцда углерода поело блока зб-сорбц^оюю-десороциомой компрессии ноют быть различным и варьироваться от 0.2. до 1.2 МПа. Выбор втого давления во многом зависит от способа последующего ожижения диоксида углерода.

ййективвая система охлаждения сжижаемого потока может быть . построзна на осноьэ ДРС, если в них применяются MFT. Применение сне- ; сей позволяет понизить как внутренние потери эксергии в ДРС, ток и . внешние - при теплообмене с объектом охлаждения. За счет этого повышается, энергетическая еффоктивность системы с сохранением простоты и надежности, чо очень важно для установок малой производительности. Еще одно достоинство использования смесей в ДРС связано о тем, что • эти системы могут быть реализованы на основе ухо выпускаемых холо- ■ дальних компрессоров.

Вторая слева посвящена методике оптимизации ДРС на смесях.

Оптимизация параметров MFT для снятия тепловой нагрузки (^(Т), , распределенной ь интервале температур IT^.T^l, представляет собой ; довольно слош;ую задачу. При этом необходимое условие состоит в том, . что холодопроизводателыгость ДРС с расходом Сс смеси на каждом тем- : пературвом уровне должна Сыть не меньше, чем заданная нагрузка: ; Gcq0(T)>U[i(T); достаточное условие определяется по значению-выбран- ; ной целевой функции огггкмации.

Задача оптимизации состава МРТ и параметров цикла в общем слу- • чае формулируется следуювдам образом:

z*.p;.p; = opt{2,pm,pn) • extr ?±-, zeVz; Pn.PneDp. <1) где z - количественный состав МРГ; pm, pn - давлении прямого и об- , ратного потоков смеси. В качестве целевой функции оптимизации j выбран эксергетическлй КПД т)^.

Значения давлений в прямом рт и обратном рп потоках определяют- ; ся из условия проведения процесса сжатия. Они учитываются в виде ог- • раштчепий, выраженных допустагами диапазонам! изменения давления, ; которые чада всего определяются возможностями' уяз Еылускоемшс кекп-рессороа. Уточяетю значений рт и рп проводится на сснсео вариантных ; рас-готов, что упржает (¿етодаку оптимизации. .

Выбор оптимального состава МРГ для ДРС связан с решением задачи . нел-ш зйкого про гргммировзния при отыскании минимального значения целевой функции для заданной эгсоры тепловой нагрузки G>1 (Т) при выбранных значениях р и р .

1 го *п

Оптамальнзя зпюра q (Т) удельной холодопроиз?одителькости нокет быть >айд<эка, если известно распределение по ТБ.'.'лератург.м • избытка холода q (Т) обратного потека "п" по отношению к иря><оку потоку "ш";

>

па рис.1 зависимость q„(?) показана штриховой линмзй. Яри :i3mc:'ia:>: термодинамических свойствах МРТ, заданных в виде температургах зависимостей энтальпии h(T), значение qM(T) для любой температуры находится как чи(Г)=1»п(ТЫ1т(Т>. В оптимальном случае долэтш соипчдать функции qH(T) и qM(T).

Для того, чтобы выделить вклад каждого компонента з распрчделз-ниа холодогфоизводительности по температурам шоЗг.огу.мо определит!; температурные интервалы интенсивных ФазоЕЖ переходов компонентов МРТ, которые впервые были введет в работах М.Ю.Боярского и Л.И.Лу нина. Строю говоря, выкипание или конденсация кадого компонента смеси происходит во всем температурном интервале о? точки кипения Тк до точки росы Тр. Однако, ранее было показано,- что основное влияние на изменение энтальпии каждый компонент оказывает в более узком температурном интервале [Т* ,Т" J интенсивного фазового перехода, где . - i i Т и Т„ - минимальная и максимальная температуры, характеризующие И1 И1

процессы, интенсивной конденсации или испарения, соответственно при давлениях р и р ..

' * го * п.

Интенсивность фазового перехода на температурном участке vhген-неявного фазового перехода должна быть вше средней для дшпгого компонента смеси. Марой интенсивности фазового перехода мотат служить . скорость изменения относительного содержания компонента Nv к паровой фазе, которая определяется первой производной по температуре. В этом '.случае, мокко предположить, что дпя каждого из компонентов смоси в интервале интенсивного фазового перехода должно выпочняться следу]0-

; щев неравенство:. ;■■ dM ъ,

" • ' -Ц--, 1= 1...N; (2.)

"dT Т -Т

: • , . р к

-•где правая часть отражает среднюю интенсивность изменения относи: тельного содержания компонента в паровой фазе во всем ияторпалч фанзового перехода;ддя смеси. Предложенное норавенстза применимо такда . для смесей с гетерогенной жидкостью, т.к. учитывает euделение компс-;: 'яеята йг-обеих жидких фаз.

состава МРТ должна проводи гея так, чтобы расход в ДРС • йыл:минимален. Для этого необходимо, чтобы для любой температуры вы-'^пйлвялось следупцее условие: Сс(ihn-ihm)»0 q .

Р&нев'- было показанно, что интервалы интенсивных фазовых переходов' длякаждого компонента с#або зависят от его концентрации z^ а изменение энтальпий МРТ при ГТ* ,т" i определяется преимущественно

•v л. Г ,. - . . И1 Я1

'теплотой фазового перехода данного компонента. Б этом случае можно предположить, что разность избыточного холода на температур,ом интервале интенсивного фазового перехода Ah^^ прямо пропорциональна

i..

■г

т,к

\ \ s > г

^Ч/ / 'Ч.го

/ и

/ А4 .m

7 г

1 />' f

но» «Л

Рис. I. Пркн-дикимьноя схема дроессиыюго регенеративного цикла :

па . дат ' для оллпадокия яяхашю! тепловой нагругк«: i - компрессор; 2 - ьодяпой колода л.пик: Я,- рчгенера-., тивпЛ-твпядаллишпс; 4 - дроссель. ,

^"пзчало"*^

Термол1намачео,с:й расч-зт.

Опредэле:«* температур и рислодоЕ: т:-т;,- т."- 1

Рнс. 2. ОСовяеннея блок-схема алгоритма расчета шювдд» трех-поточного теплоогмеяюхв в случае оиоадекм потока . нагрузки при помсс1И ЛРС на смесях.

концентрации соответствупадго компонента z„. Таким образом; разность между новой * и старой концентрациями должна быть пропорциональна избытку холода на данном температурном интервале интенсивного фазового перехода, отнесенного к суммарному избытку холода для всех компонентов соответственно на своем температурном уровне интенсивного фазового перехода:

{¿i-z^v-^a(3)

где 4Ьиоб J'W^ ) определяет избыток или недостаток хо-

лода на данном температурном интервале; Клгч6 ~ избыточный холод в обратном потоке при условии, что разность температур мевду прямым и обратным потоками, а такие нз1ругкой и обратным потоком больше мини-малыюй АТт1п<АТя: h^(Т^-А?

При условии, что изменение энтальпии потока на отрезке IT* ,Т" 1 прямо пропорционально изменений кониентрйцта 1-го коти- \

яекта, для (к+1) итерации может быть рассчитана по итерационному соотношению, полученному из уравнения (3):

= 2ik'-< 1 - А\зб/ fW^ В правую часть уравнения входят значения шли чин в иктерпале температур tT' ,т" 1 для обратного потока, Еычислешье на предыдущем шаге 11

(к) итерационного процесса.

Бели давление рт прямого потока меньше критического, то, при коррекции состава МРТ пропорционально новой концентрации ztk+1необходимо изменить и приращение Бнталггаш на отрозке IT," ,т" 1 для

11

. прямого потока. Послэ вычисления z(kt1) для всех компонентов требуется провести нормировку концентраций: £z(k+1'=1. Вслед зч этим ■ < 1 уточняется термодинамические свойства МРТ для нового состава.

Предложенный алгоритм оптимизации состава МРТ для ДРС реализован в виде програмного продукта на персональном компьютере. Этот ал' горитм обладает хорошей сходимостью и позволяет найти t]e (z) за '.. 2+5 итераций в зависимости от выбранного начального приближения.

Третья глава посвящена расчету теплогидравлических характерно-.тик трехпоточных теплообменников для ожижителй с дроссельными щ:кла~ ■-мл на смесях.

" т- Для уменьшения энергозатрат в ожижитольнкх установках с предва-• ритэльным охлаждением ДРС на МРТ целесообразно применять трохпоточ-.ный теплообменник (рис.1). Сложность расчета площади такого аппартэ состоит в том, что свойства всех потоков и коэффициенты геплоотдпчи сильно меняются в зависимости от температуры. Это обусловленно фазо-. вш.я переходами: кипением в обратном потоке "л" и кондрнсрциоП в прямом "ш". Конденсация возможна также и в технологическом потоке

"н" нагрузки.

При определении площади трехпоточкого теплообменника резались дав задали. Перзап - выбор алгоритма расчота для условий, когда свойства потоков сильно меняются в зависимости от температуры. Вторая - выбор методов расчота коэффициентов теплоотдачи при кипении и кондзноации М? в условиях вынужденного движения и гидравлических сопротивлений. Вторчя задача до сих пор в общем виде не решена и расчет теплообменников проводится на основе рекомендаций, подученных для конкретных условий технологических режимов при выбранных типоразмерах. В работе для предварительного определения площади поверхности трехпоточного теплообменника с фазовыми переходами в потоках выбраны упрощенные модели. Затем на основа экспериментов для конкретного еидэ теплообменника расчетная модель корректировалась, чтобы повысить точность расчетов на этапе проектирования.

В расчетах дарлэкив в потоках принималось постоянным. В втом случае вначале проводился тепловой расчет и определялись площадь, гидравлические сопротивления и распределение температур р теплообменнике; затем проводился поверочный гидравлический расчет.

За основу был выбран витой паяный теплообменник, в котором каждый поток движется в трубе.-Этот тип теплообменника отличается простотой изготовления, что'было существенно при проведении экспериментальной части настоящей работы. . . / •

Расчет складывается из нескольких этапов (рис.2).

Вначале требуется'провести термодинамический расчет. Для этого > необходимо получить свойства для всех потоков, участвупйих в теплообмене. Далее требуется, задав расход потока нагрузки, определить -■: расход смеси, необходимый для обеспечения холоде« тепловой нагрузки. . Затем следует ввести минимальную разность температур ызаду тешгсюб- " мекивавдшися потока?™.

Для решения краевой задачи бил выбран метод стрельбы. Он основан на предварительно« решении задачи Коши. Выбрав некоторое пробное значение температуры обратного потока, снеси 3 на теплом конце :: теплообменника и, решив задачу Коши не заранее известном из термоди- . намического баланса отрезке температур СТ^.Т^З, можно получить тем- ] иературу Г^ ^ прямого потока смеси на выходе из теплообменника. За - -тем, сравнивали полученное значение температуры с -заданным , г. этой .' точке граничнкм условием .изменяли пробное значение л и снова . реяалч задачу Коши.

Задача в метода стрельбы состоит в нахождении корня нелинейного уравнения с одни.! неизвестным:

Для его решения был выбран метод половттого делеггля. поскольку он ночуг.сгвитолен к ошибкам при зачиалеш« фуз^-щш Г{'Г" ,). Так как

и

значения функции Г(Г^ в окрестностях Т^ близки к нули, то существует интервал неопределенности, в котором знак I ) может определяться неправильно. Когда текущая величина Т^ па' каком-либо шаге попадает в этот интервал, дальнейшее приближение к корн» становится невозможным. Установить иптеяял неопределенности заранее оказывается крайне сложно, т.к. он зависит от поведения функции в окрестности корня и от величины похфеыпоста, допускаемой при вычислении _ Однако попадание в этот интервал обычно можно установить в ходе расчетов по неустойчивому псводеаив нтерзций.

Из условий решения краевой задачи возникают требования к точности решения задачи Кеии. Чем-вале точность решения задачи Коии, .тем меньше интервал неопределенности. В работе были проанализирован-ны факторы, влияющие - на точность вычисления функции I(Т^ ): I) ошибке дискретности, возникающая в результате разбиения теплообменника по площади на-участки, на которых свойства мокло считать постоянными; 2) ошибка округления, накапливаемая при выполнении арифметических операций; 3) оиябкп, связанная с выбором для численного решения математической модели, которая лишь приближенно описывает физическое явление.

Из-за сильно и неравномерно меняющихся свойств потохов по длине теплообменника выбор фиксированного шага нецелесообразен. 3 этом случае шаг целесообразно сделать переменным и зависящим от иктеисив-. ности изменения свойств каждого из потоков, участвующих з процессе теплообмена. Численно это легко реализовать, задавшись перед началом расчета величиной предельного изменения, свойств потоков на каждом из шагов по.площади теплообменника или, по другому, эту еэличмг/ можгю назвать предельной величиной изменения свойств в потоках. Ес/и имеется последовательность решений с равномерно убивающей величиной из: ывнения свойств, то можно получить приближенную оценку точноста найденного решения. В качестве примера на рпс.З приведены результаты /анализа для конкретного, случая'вычисления плйщади трплоо^кянного Аппарата с существенной зависимостью свойств всех трех потоков от температуры. На рисунке заштрихованная область обозначает до?ер.чт'.>льы;й интервал вычисления площади теплообменника.

г"-- В работе -показана, .что удовлетворительная точность расчетов площади, поверхности получается при минимальной вадичипе игчслоиия свойств в потоках ет1п. равной 1% при кладом шаге по площади-

Площадь теплообмена обратного потека в эхевврвкзьтгльяой уста- . • новкэ составляет 0.38 м2. По расчета1.;, проведенным по лрогр-м.-"1-. описанной в третьей главе, поверхность теплообменника д«я сбейгеч«-яия аналогичных расходов и тепловых нагрузоч ;.оллш составлять 0.5'! м^. Расхождение могкду расчетной и акспериь'гнталькоЗ епяпгк*. состоим* около 40"?. Пто уло^-тотит^лытая точяс-гль для ^д-'-ри-

F-' e.a

e.7

G.6

6Л

6Л •

о

F*c. 3. Результату аиалгзв щ* нгаглвшш площади 1 tctiwoDmw.-шха в аавасяжсп от предельного юыенеюм сдиДсга е не :е.хг.а* азге.

фгкшзяальная схема адоков оюшшял шага к предварительного охлалденяя па овсы: I - холэяшиый двухст;-пекчатыя портчевой компрессор 2C-I0: Й , г-'.система С»льт-ров; 3 - предохранительный класан; 4 - трехлоточны* рв-генератавзий теплообменник: 5.5 - водяныо холо;зиыогш: 7.8 - регулируемые вентелл: 9.10 - дроссельшп устройства; 11*14 - рессоры: I5+C2 - зыюриые оиьфоншю вентиля: 23.24 - ротаметры РС-5; 25 - алгхтричесгоа нагреватель: 26+07 - мзасматри; 38444 - термопара; 45 - да-х-ступецчагЛ мемгрангай компрессор 1.6ЫК83/20СШ; 4S -кркоблск.

\Ъ

тельного расчета площади теплообменника, в котором происходят кипение и конденсация смеси при вынуадешюм движении.

Таким образом, программа расчета площади поверхности теплообмена трехпоточного теплообменника с фазовыми переходами в потоках МРТ, основавшая на условном разделении поверхности теплообмена на участки с псеадонеизменными свойствами, позполяе? без экспериментальных данных в первом приближении определять площадь и гидравлические сопротивления для теплообменников в контуре предварительного охлаждения технологических потоков.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального' исследования макета установки малой- производительности для получения жидкого азота. Экспериментальны^ о*енд был создан в КТО Криогэнмаш.

Перед эксперимэнтапьным исследованием стояли следущие задачи: 1) сопоставление расчетных и экспериментальных холодс!грокзводитель-ностей ДГС на МРГ и теплогидравлических характеристик трехпоточного теплообменника; 2) проверка разработанных методов оптимизации состу-ва смеси и параметров ДРС на МРТ для сложных .тепловых нагрузок; 3) выбор рационального метода очистки МРТ от масла так, чтобы обеспечить непрерывную циркуляцию в ДРС не температурном уровне 110 К.

Установка построена по блочному принципу и включает четыре функциональных блока: вакуумирования; запраЕм:; ожижения язота; ДРС на МРТ. Принципиальная схема блоков сжижения азота и ДРС ка смесях представлена на рис.4.

Азот в контуре ожижения сжимается двухступенчатым мембранным компрессором I.6MK83/200MI (45), охлаждается в водяном холодильнике (6) и через запорный вентиль (19) подается в крисблок (4G). Для умэньшения пульсаций давления в ротаметре (24) на входе в компрессор установлены ресиверы (13,14). Азот под давлением через запорный вентиль (19) подается з паянный теплообменник (4). Затем азот поступает .в дроссельное устройство (10), откуда через запорный вентиль (20), гезкфщируясь при помощи электрического нагревателя (25), подается в ротаметр РС-5 (24) и затем поступает на вход компрессора. Давление перед ротаметром контролируется манометром (3D.

МРТ. в блоке предварительного охлаждения сжимается даухстуг.энча-. там поршневым холодильным компрессором 2C-I0 (I) г гадкой смазкой, который бил разработан в ОКТБ ПО "Кристалл" (г.Харьков). После сжатия смесь охлаждается в концевом водяном холодильнике (5) и проходит через ■ систему фильтров. (2) для очистки от капельного масла. Затем МРТ поступает в теплообменник, а после дроссэлируется (9). Ка в':ходе из криоблока установлен электрический нагрзЕатель (25) для подогрела обратного потока смеси до температуры окружении? среды в случнл больной нбдорекуперации. Дга ресивера (11,12) служат ям сглячкздс«.«! пульсаций давления на ротгмотря РС-5 (23). Отбор проб на хр^мг.тг-: ;;:.

фарованш проводится из прямого и обратного потоков при помощи за-nopFJUx сильфоншх вентилей (15.16). В контуре предусмотрен предохранительный клапан (3). Для согласования расходов в контурах предварительного о шздзшя и ожижения азота используется байпасироваюге части потока при помощи регулируемых вентилей (7,8).

Стенд оборудован измерительными средствами, куда входят мано- •• метры, термопары, ротаметры, вольтметры и хроматограф.

Для оценки теплопритоков через изоляцию к криоблоку были проведена таррировочнне эксперименты на чистых веществах - азоте и метане, свойства которых хорошо изучена. Величина случайной относительной средней квадратичной погрешности определения теплопритоков вычислялась iio разбросу экспериментальных точек' в отношении к сглажи-каоцэй . кривой, полученной методом наименьших квадратов, и составила GO'S. - .

В экспериментах относительная систематическая погрешность измерения холодопроизводительности ДРС составила 13%.

В раОоте была использована схема с фильтрами для очистки штока слыси от капельного масла, которые, чтобы не происходила нехелателъ- . ная сег.бриций вддксй фазы ЫРТ, были установлены сраау поове двухступенчатого компрессора до концевого водяного холодильника (рис.4). Эта схема обеспечивает в ДРС длительную циркуляцию смеси и позволяет обеспечить оптимальную температуру (IIC К) предварительного охлаждения технологического потока азотной установки;

Для подтверждения точности расчета характеристик ДРС на Смесях на экспертэнтальном стенда было проведено несколько пусков' с рез- . личным состава»™ смеси. При атом варьировались рабочие-давления и. температура предварительного охлаждения потока. Кроме того, изменялась величина и характер тепловой нагрузки. Аналчз полученных данных показал, что для всех экспериментов • соотношение. расчетных величин холодопроизводительности ДРС на смесях В рабочем режима с' учетом потерь от недорекуперации и теплопритоков .близки к. экспериментальным. Максимальное расхождение между расчетами И. экспериментами составило : около 122. • -^л';. • / . ч V':'-'-" ■

Экспериментально-) исследование подтвердило, высокую ..эффектив- ; кость ДРС на смесях: удельные шгаргозатраты на оюшжие потока газообразного азота составили 0.72 кВу-ч/л К*.. При получении газообраз-: пого азота из воздуха с 1юмо11а>вчмвм)ранврга\|адак9% пЬследувдим*01Щ^:У. 5КСН8С-М необходимо затратить 1.26 кВт-ч/л wj, что; сочтветствуёт сов-: V". рс-монпому уровню серийно выпускаемых азотных уеттхргак малой производительности. При этом, как показал анализ , • сохраняются резервы дальн»йшого снижения удельных энергозатрат-путем совершенствования, процессов в узле разделения. ',.• '•. - .. -

Разработанная методика определения оптимяльного/.состава смеси-.'

»S

позволяет для любой заданной тепловой нагрузки на ДРС выбрать без экспериментальных данных необходимые компоненты смеси и рассчитать их оптимальные концентрации, обзспочинагацие иэиболкгу» знергетиче-с-кую эффективность. Эксперименты подтвердили корректность глбора оптимального состава смеси.

Таким образом, выбранные схема, оборудование и MFT обеспечивает длительную непрерывную работу установки малой производительности для получения жидкого азота из воздуха с высокой энергатшгеской эффективностью, не уступающей установим данного класса с более сдскьтл конструкцией. Используемые методика и программное обеспечение позволяет с нужной точность» прогнозировать характеристики ДРС на смесях ,с учетом технических характеристик выбранного оборудования.

В пятой главе проведена энергетическая оптимизация параметров малых жидкостных установок о предварительным охлаждением на смесях. Были выделены взаимосвязи оеноких процессов и их вл?лни9 на хг.рзк-теристики установки в целом.

Общая структурная схема дли анализа эДОктиёшстр установок малой производительное™ получения жидких продуктов представлено т рис.6. Для упрощения представленной схемы метаю отказаться от регенеративного теплообменника III.

3 работе показано, что энергопотребление установки (рис.6} дчл получения жидкого азота из воздуха с применением ДРС на конкретно подобранных смесях находятся на уровне лучших ззрубегсгах сбрззцзо. При этом применение холодильных компрессоров с гидкой см?<г?кой :г отсутствие движущихся частей в холодной зоне обеспечат вьс-оюй ресурс работы и существенно снизит стоимость установки. Построение ноЗол:,-ших установок для получения жидкого азота из воздуха на осяоье мембранного разделения и ДРС на смесях дает возможность вппо.шпг/ь комплекс требований,'предъявляемых к такому классу уст.зрзгок.

Разработанные методы анализа и оптимисацка Д?0 на UI? помутили -также проанализировать и другие ожшителышё установки. К ш-м стоо-сятся малые установки получения и последующего ояжсегоя диоксид-) углерода, для которых предложена схема с продп'фитзлнгл! охлу на смесях. В схеме из-за несовпадения давлений noo.ee блока üo.':, C0g и жидкости-при атмос£яряом дав лети несбхолда яатакы-лЪ ксчгг-рессор. Полученные д«.ноде (рис.7) покязмсачя, чго кпу,'„>••:. -.».•-двухступенчатой мгл;инм вместо одноступ-?нчптоЛ н к-гмутрг .ут*." •*•-;.••;•.•. •компрессора при ьпад.-нм охлааденик на «'.w jw v/'". ч пглс-тельном? улучвенип зньрготической ь^хт/г-иогти.

Дальней-.;»« улутютч схема гягеяяня ту?T'.vp -дл !../.*?* бить овяяя'п с ис1гольпс.гч'в«"Н л кзчес/и-е --его к-'..':!рс:"у'.

тер','окс:.~геозор^, рякгй'г-тгишого и П'.'.ГГ но си.гсо &o>4/;>y>',,,'-> • /iif'OT'CciiOüH'-Л ¡сомпрссль;. >; з?. i>.< сн.".''? гепез !-ео; з •'•> /-'з -з.<-

Sjgwnu лшппа ютом азота после блока разделен»! во дольше енергоматрата в блоге оюаииий в сукирщ» дальше зяоргоэатреты в зависимости от вибреннсй схемы ; /станпвгаг дм производства гадоа продуктов с конкренх- < ма харектериетаг.ш« ыечвракяого ваш, хоторЛ vote? Оать «гготовлен в НШ Криогеямаа.

N

â

ла позволяет уменьшить энергозатраты приблизительно нэ ЗПЯ. Бысоко-зфГоктивиая схема установки ожижения диоксида углерода с термокоют--россорсм в качество дожимающего и одноступенчатого компрессора с жидкой смазкой для ДРС на смесях удовлетворяет всем требованиям, предъявляемом к установкам такого, класса.

Разработанный ь настоящей диссертации метод подбора оптимального состава смеси для заданной тепловой нагрузки и результаты прове-. данного анелина могут быть применены не только для малых, но и для крушгых установок, например, для установок сжижения природного газа, что весьма актуально в связи с переводом различных транспортных средств на скикенный природный газ (СНГ). В работе проанализированы основные варианты схем современных крупных установок получения СПГ..

С повышением температуры предварительного охлаждения уменьшается доля ожижения и, следовательно, увеличиваются энергозатраты в до-жкм&тазм компрессоре (рис.8). Однако, при этом уменьшается нагрузка на ДГС. Таким образок, существует минимум энергопотребления установки г- зависимости от температуры предварительного охлаждения (оптимум находится tia уровне 140+145 К)..

Термоданамичоскйй анализ схем сжижения природного газа с предварительны^ охлажднндам на МРТ показал возможность создать установку с удельным пкергопотребленим 0.4*0.Б кВт.ч/кг СПГ, что находится на уровне лучших зирубонгах установок, отличаадихся от предлагаемой значительной сложностью схемы.

ВЫВОДЫ. -; • •

1. Дроссельные регенеративные системы на смесях. для -предварительного охлаждения ожижаемого потока позволяют создать установки малой производительности для получения жидкого азота из' воздуха о. удельными энергозатратами, не превышающими 1.3 кВт•Ч/л жидкого азота, что подтверждено экспериментами па лабораторном образце. Такие ожижители с использованием холодильных компрессоров с жидкой смазкой могут обеспечить надежную работу установки при большом'ресурсе работы и энергозатраты на уровне лучших современных -образцов о более сложней конструкцией. ' . ... • ■ '

2. Развитая в диссертация методика энергетической оптимизации, и созданное на оо основе программное обеспечение позволяют при заданных характеристиках компрессорного оборудования оперативно определять оптимальный состав рабочего тела для любого распределения по температурам тепловой нагрузки на дроссельный рефрижератор. X.'

3. Основой для коррекции количественного и качественного состава рабочего тела дроссельных регенеративных систем могут служить ин-ториалы интенсивных фазовых переходов компонентов смоск. Предложен- -нпя методика позьоляет производить расчет этих интервалов как в области ппро-кидкостянх равновесий, так и при равновесии пар-жидкость-

жидкость.

4. Созданное програмное обеспечение для предварительного расчета поверхности трехпоточных тештообменных аппаратов и их гидравлических сопротивлений позволяет проводить расчета для дальнейшей оптимизации и экспериментальной доводки опытных образцов дроссельных рефрижераторов на смесях для предварительного охлаждения технологических потоков.

5. Предложенные перспективные схем установок для получения гадких продуктов обеспечивают -энергопотребление на уровне нино существующих при упрощении технологических схем как для получения жидкого диоксида углерода (э = 0.2Г кВт.ч/кг жидкого C0g), так и для сжижения природного газа (5 =»'0'Ж..0.5 кВт-ч/кг СНГ)..

'Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Ладохии С.Д., Сидорова М.З., Потапов Г.Г. О перспективах практического использования БТСП устройств и.систем их криогенного обеспечения за рубежом. Обзор. - М.:ЦКНТИхимнефтемаш, 19Я9. - 44с.

2. Перспективы.-создания азотных установок малой производительности с циклом на смесях / Горбачев С.П., Боярский М.Ю., Ладохии с.Д., По-тапов.Г.Г- // I Meадунар. кокф. по технике низких температур: Сб. докл. - Капице, 1990. С.41-45.

3. Боярский М.Ю., Лунин А.И., Потапов Г.Г. Методика оптимизации дроссельных циклов на смесях для слокных топловдх нагрузок / Высокотемпературная сверхпроводимость. ВШИ 1991. Вып.5. С.36-42.

4. Макетные образцы дроссельных криоуставоьок на смесях на 6we поршневого смазываемого компрессора / Ладохьн С.Д., Субботин Ю.Н., Потапов Г.Г., Могорычный В.В., Подчерняев О.'Н., Юдин Г-:.В.,

ус В.Д. // Мевдун. л.-пр. конф. "Криогенкка-91": Тез. докл. -М.:ЦИНГИхимнефтемзш, 1991. С.134.

5. Расчэтно-эксперименталыше характеристики взотной установка к.>-лой производительности с внешним ;шклсм на смесях / Горбачев С.П., Потапов Г.Г., Ледохин С.Д., Боярский М.Ю., Лунин А.VI. // Теп. докл. Все союз. науч.-техн. конф. "Холод - народному хозяйству" - Л^ЛТИХП, 1991. C.I45.

6. Установки малой производительности для волнения жлдк-то -."-отп с применением цикла на смесях (на англ.) / Бояпокий ¡'.Л)., "у-Hici А.И., Ладохии С.Д., Потапов Г.Г. // 14 Tntern. Сгусг-тМл 1''?;;. СопГ.. Program and abstracts. - 'Kiev, 1992 - P.67.

. 7. Оптимизация параметров установок с ц;:клу4 на с» »-/«и :'пя

нил жидкого азота / Еоярск'З М.Ю., Лунин A.!'., Поупов Г.Г., ,л ■>. ;t

С.Д- //Химическое и нМ<го*оо »»яун.-.чг.-рогн«*. К'"'', ir'v?. ?•>.