Разработка способов повышения эффективности систем захолаживания жидкого кислорода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

Остромоухов, Виталий Борисович АВТОР
кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ
1992 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.09 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Разработка способов повышения эффективности систем захолаживания жидкого кислорода»
 
Автореферат диссертации на тему "Разработка способов повышения эффективности систем захолаживания жидкого кислорода"

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

на правах рукописи

ОСТРОМОУХОВ ВИТАЛИЙ БОРИСОВИЧ

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭАХОЛАЖИВАНИЯ ЖИДКОГО КИСЛОРОДА

Специальность 01.04.09 - физика низких температур

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1992.

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском и проектном институте азотной промышленности и продуктов органического синтеза СГИАП)

Научный руководитель к.х.н. Остронов М. Г.

Официальные оппоненты д.т.н., профессор Микулин Е.И.

к. т. н., доцент Алтуиин В. В.

Ведущая организация: Конструкторское depo общего машиностроения (КБ ОМ, г.Москва)

Защита состоится " 15 " января 1993 года в 15 час.45 мин. на заседании специализированного Совета К 053.16.02 в Московском энергетическом институте по адресу Москва, Красноказарменная 17, корпус Т, каф. ИГФ, комн. 206.

Отзыв, заверенный печатью, просим высылать по адресу: 105835 ГСП, Москва,Е-250, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_" _199 г.

л

Ученый секретарь /

специализированного совета В. И. Мика

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность темы.

Использование сжиженного кислорода как компонента ракетного топлива привело к созданию ряда автономных криогенных систем для за-холаживания его с целью транспортировки, хранения и безопасного использования. Хранение жидкого кислорода в состоянии насьгдения без захолаживания вызывает его значительные потери, кавитацию в насосах при перекачке, создает пожароопасную ситуации при сбросе в атмосфер у. Кроме этого, как показала практика, дренаж паров приводит к попадание атмосферного воздуха в жидкий кислород и загрязнение последнего.

Увеличение потребления охлажденного кислорода в народном хозяйстве потребовало создания новых, более эффективных, чем существующие, систем захолаживания (СЭ) кислорода. Острый дефицит электроэнергии в местах эксплуатации СЭ налагает ограничения на критерии качества этих систем. При этом особую значимость приобретает энергетические показатели систем захолаживания: КПД и удельное энергопотребление.

Общие закономерности построения и разработки СЭ кислорода могут быть использованы также для других сжиженных криоагентов, что усугубляет необходимость обобщения и систематизации сведений по СЗ для определения путей их развития и совершенствования. До сих пор подобные исследования с единых позиций не проводились.

Для разработки эффективной СЭ требуется база высокоточных термодинамических данных. Это особенно важно для создания систем захолаживания больших количеств кислорода.

Цель работы состояла в разработке высокоэффективной системы захолаживания и хранения кислорода, поиске путей совершенствования существующих и разработке новых способов построения систем.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

а) провести сопоставление характеристик и выбор базового способа захолаживания для детального изучения, определить основные пути его совершенствования;

б) в эксперименте получить информацию, в частности, по плотности и поверхностному натяжению в интервале температур 54+64К, что необходимо для создания системы, ее анализа и управления про-

цессом;

в) описать полученные экспериментальные данные аналитическими зависимостями для интерполяции и экстраполяции с высокой точностью;

г) провести экспериментальные исследования найденных решений на действующей системе с целью проверки соответствия расчетных и действительных характеристик, улучшения энергетических показателей системы захолаживания;

д) разработать новые способы захолаживания. Научная новизна работы.

Предложены новые высокоэфиктивные способы проведения процесса захолахивания кислорода до 55*57К, основанные на вакуумировании вспомогательного хладоагента кислород-азот.

Предложен и исследован новый способ понижения температуры вспомогательного хладоагента для систем захолаживания, основанный на растворении твердого азота в жидком кислороде.

Впервые получены высокоточные экспериментальные данные по плотности смеси кислород-азот, поверхностному натяжению и капиллярной постоянной в интервале температур 54+64К. Модифицировано уравнение Соаве для описания с высокой точностью термодинамических свойств кислорода, азота и их смесей в интервале температур 54*100К . Практическая ценность работы.

Экспериментальные и расчетные данные, полученные в настоящей работе, использовались при создании системы захолаживания кислорода. Они позволили повысить точность расчета характеристик системы захолаживания и разработать номограммы определения массы бинарной смеси при заправке смесью полости хладоагента.

Технические усовершенствования и применение новых схемных решений, предложенные в настоящей работе, позволили сократить время охлаждения 40 тонн кислорода на промышленной системе с 65 до 38 часов. Выявлены резервы дальнейшего совершенствования: дополнительная очистка от углеводородов повысит надежность работы системы; регенерация откачиваемых паров вспомогательного хладоагента и возврат их в цикл увеличит КПД системы в 1.2 раза. Автор защищает:

- способ охлаждения и криостатирования жидкого кислорода, основанный на вакуумировании вспомогательного хладоагента - смеси кислород-азот;

- способ непрерывного охлаждения и криостатирования жидкого кисло-

, рода, основанный на вакуумировании бинарной смеси со сжатием холодных откачиваемых паров до 120 мм. рт.ст. и возвратом их в цикл;

- способ охлаждения вспомогательного хладоагента путем растворения твердого азота в жидком кислороде;

- экспериментальные данные по плотности и поверхностному натяжению смеси кислород-азот на линии насыщения и уравнения для их описания в диапазоне температур 54+77К.

Апробация работы. Результаты работы докладывались: на Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов

азотной промышленности, г.Москва, 1932 г. на Всесоюзной научно-технической конференции, г.Гродно, 1985 г.; на семинаре в лаб. профессора И. Р. Кричевского, г.Москва, 1987 г.; на семинаре НПО "Энергия". г.Москва, 1990г.;

на семинаре НИЛ 1042 каф. криогенной техники, рук. проф. В. М. Бродянский,

г.Москва, 1991г. на ученом совете ГИАП, г.Москва, 1992 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений, содержит 159 страниц основного текста, включая 27 рисунков, 18 таблиц. Приложения занимает 54 страницы. Библиография содержит 128 наименований.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 работ, получено 3 авторских свидетельства.

Содержание работы. В первой главе проанализирован опыт разработки и эксплуатации систем захолахивания, хранения и термостатирования криоагентов. Сопоставление характеристик проведено на основе эксергетического метода. Рассмотрены основные типы систем захолахивания (СЭ): с применением внешнего источника холода - рефрижератора (C3g); с использованием вакуумной откачки ССЗу); барботирование через жидкий кислород малорастворимого охлажденного газа (СЗд). Для детального сопоставления выбраны способы СЗр и СЗу.

Удельное энергопотребление рефрижераторов для систем захолахивания СЭр с внешним источником холода принято в соответствии со статистической обработкой литературных данных. Для систем захолаживания СЗу посредством вакуумной откачки удельное энергопотребление рассчитано на основе балансных соотношений, отражающих процесс охлаждения

жидких криопродуктов при вакуумировании парового пространства: dm Su • р(Т)

— - —--- . (1)

dt R • Т

- = 0 0 - г • —-2- . (2)

(11 т • с пгс-й-Т

где Б - объемная производительность вакуумного насоса; рСТ),Т -

давление и температура паров жидкости; и, р , г, с - соответственно масса, плотность, теплота испарения и теплоемкость жидкости;

- теплоприток извне; Гд - площадь теплопередасщей поверхности; I - время; К - универсальная газовая постоянная. При этом были привлечены характерные для вакуумных насосов зависимости Ж р), отражающие изменение потребляемой мощности при различных давлениях откачки.

. Таким образом, обосновано применение модифицированной системы СЭумод, особенность которой состоит в том, что захолаживание жидкого кислорода проводится вакуумированием вспомогательного хладоаген-та. Обосновано применение в качестве вспомогательного хладоагента смеси кислород-азот.

Характеристики систем захолаживания различных типов приведены в таблице 1. где наряду с удельными энергозатратами п,Вт/Вт приведены основные для данного типа систем показатели: 1нац- время выхода системы на режим; Ц - время захолаживания; 1К - время хранения крио-агента. Знак С-О означает качественное преимущество данного способа перед другими, обозначенными знаком (-).

Таблица 1

Результаты сопоставления критериев качества систем

Показатель СЗр СЗу ^мод

Удельные энергозатраты п,Вт/Вт: 6.6 > 7.9 6.6

общие

в месте эксплуатации 6.6 > 4.7 2.4

Надежность - + +

Прочие: временные

1нач + +

Ч - -

1х + + +

массовые и объемные + + +

Для создания высокоэффективной системы захолаживания и хранения 40 тонн кислорода от 90 до 56 К за базовый принят способ охлаждения путем вакуумирования вспомогательного хладоагента - бинарной смеси кислород-азот ССЗум>. Система, основанная на этом способе, может иметь вдвое меньшие затраты мощности в месте эксплуатации (п'=2.4 Вт/Вт). Вместе с тем, также показано, что резервы улучшения харак-

теристик еде не исчерпаны. В частности, время I , необходимое для получения температуры Т т=п56 К, может быть сокращено путем применения новых способов охлаждения без увеличения затрачиваемой мощности. Основным путем повышения энергетической эффективности процесса эахолахивания может служить уменьшение потерь эксергии, связанных с выбросом холодных паров вспомогательного хладоагента в атмосферу. При использовании холода этих паров КПД процесса увеличивается в 1.1 раза, а при возврате паров в цикл - в 1.2 раза.

Для разработки высокоэффективных систем необходима база термодинамических данных. Первостепенный интерес представляет зависимости от температуры плотности заколоченного кислорода и азотно-кислород-ной смеси. Такие данные в литературе опубликованы в недостаточном количестве, а в диапазоне температур 54Ч"64К отсутствуют полностью.

Анализ, проведенный в главе 1, позволил выделить также первостепенные задачи дополнительных исследований, направленные на повышение эффективности систем эахолахивания. Для этого впервые проведены расчетно-экспериментальные исследования процесса смешения в области жидкость-кристалл для аэотно-кислородной смеси.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям плотности и поверхностного натяжения смеси кислород-азот, которая служит вспомогательным хладоагентом для системы эахолахивания при вакуумирова-нии. Плотность в интервале температур 55*77К измерялась двумя независимыми методами-, посредством ареометра и гидростатического взвешивания. Поверхностное натяжение определяли на основе метода капиллярного поднятия. Приведены схемы экспериментальных установок, описаны методики проведения исследований.

Метод ареометра для измерения плотности отличается простотой реализации. При измерении были введены поправки на сжатие вследствие охлаждения ареометра и поправка на действие капиллярных сил. Максимальная относительная погрешность прямого измерения плотности смеси не превышала 0.085:;. Из-за простоты измерения этот метод был рекомендован и использовался в промышленности для экспресс-анализа содержания примесей при поступлении на предприятие исходных кислорода и азота. При использовании ареометра необходимо знание капиллярной постоянной исследуемой жидкости. В связи с этим проводилось исследование поверхностного натяжения смесей кислорода с азотом в интервале температур 54+77К.

Метод измерения плотности гидростатическим взвешиванием более

универсальный, так как позволяет измерять плотность как жидких, так и газообразных сред. Введение циркуляции, а также двух капилляров для анализа состава фаз позволяет кроме плотности измерять фазовые равновесия жидкость-пар смесей криоагентов. Смесь нужного состава готовили в калиброванном сосуде постоянного объема. Концентрации компонентов смеси контролировали хроматографом. Основным элементом экспериментального стенда служила цилиндрическая рабочая камера объемом 40 дм^ с титановым поплавком. Взвешивание поплавка, находящегося в изучаемой среде под давлением или в вакууме, осуществляли с помощью электронно-следящей системы. Охлаждение камеры производили жидким или твердым азотом под вакуумом. В качестве теп-лопередающей среды при охлаждении использовали газообразный гелий. Температуру рабочей камеры регулировали с помощьс трех блоков высокоточных регуляторов температуры и измеряли платиновым термометром сопротивления ТСПН-3, подключенным по четырехпроводноЯ схеме к потенциометру Р-361. Датчиками регуляторов температуры служили дифференциальные термопары манганин-константан.

Для измерения давления ниже 1 атм использовали дифференциальный ртутный и-образный манометр, а для измерения давлений вьше атмосферного - поршневой манометр МП-60 класса точности 0.05. Для отделения полости масла манометра от измеряемой полости использовали мембранный разделительный прибор с электромагнитным датчиком, Контроль при проверке нуля и в ходе измерения давления грузопоршневым манометром вели по осциллографу. Максимальная относительная погрешность измерения плотности смеси этим методом не превышала 0.07%. Результаты представлены на рис.1. Обработка измерений показала, что смеси кислорода с азотом характеризуется небольшим избыточным объемом С до ЗУ.) для эквимолярных составов, что было учтено при выборе высокоточных методов расчета.

Поверхностное натяжение смеси определяли методом капиллярного поднятия. Основная проблема, возникавшая при реализации данного метода, - выбор капилляров, имеющих постоянный диаметр. Поэтому после выбора капилляров, измерения их диаметра микроскопом на срезе и калибровки ртутьс нами была введена интегральная поправка. Поправку определяли при помощи чистых кислорода и азота. При строго определенной температуре, для которой известны эначения поверхностного натяжения, измеряли высоту столба поднятия жидкости в капилляре, изменяя точку отсчета столба жидкости. Таким образом, по всей высоте

.используемых капилляров была рассчитана поправка, отражаемая изменение диаметров; она вводилась при обработке экспериментальных данных. Во всех экспериментальных исследованиях для приготовления смеси использовался азот высокой чистоты 99.985Х объемных Ng и кислород особой чистоты 99.9925« объемных Og. Выбранные средства обеспечивали максимальную относительную погрешность измерения поверхностного натяжения не более \%Л.

Результаты экспериментальных исследований поверхностного натяжения представлены на рис.2. Данные ниже 64К получены впервые. Зависимость поверхностного натяжения смеси от температуры линейна. Нетрудно показать, что зависимость от состава при постоянной температуре нелинейна. Максимальные отклонения от аддитивности (до 204) характерны для смесей, содержадих около 70*/í Og.

В третьей главе рассмотрены вопросы формирования на основе экспериментальных исследований базы данных для анализа и разработки системы охлаждения. Рассмотрена возможность описания плотности смесей кислорода с азотом различными уравнениями. Установлено, что использование уравнений, разработанных для определения плотности чистых жидкостей (Ганна-Ямады, Чью-Праусница, Иена-Вудса), в нужной области параметров нецелесообразно из-за отсутствия точных правил смешения (отклонения составили от 3 до 10X). Многопараметрическое уравнение состояния Бенедикта-Веба-Рубина также не позволило получить требуемую точность описания экспериментальных данных. Уже для чистых веаеств среднее отклонение составило: для жидкого азота -0.75 %, а для жидкого кислорода - 3.154.

Преимущество было отдано уравнению состояния Соаве. Для получения необходимой точности описания данных правила смещения были модифицированы.

Исходная форма уравнения Соаве записывалась в виде: R'T а-а

Р = - - --(1)

V - Ь V»(V+b) или в виде полинома:

z3 - /♦(А - В- - А-В = 0. (2)

где а = 0.42746'R^'Tg/Pg ; Ь - 0.8664-R-Гс/?с ; (3)

а = [1 + СО. 48508 ♦ 1.55171-ы - 0.15613-ы2) 41 - Т°'5))2, (4) А = a-a'P/R2- Т2 = 0. 42747а*Рр/ Тр; (5)

В = b'P/R-T = 0.08664РГ/ Тг (6)

Была предложена модификация определения параметра a (выражение

Рис.1.Экспериментальные данные по плотности смеси С^-Нд.

Рис. 2. Экспериментальные данные по поверхностному натяжению смеси Од-^-

4). Уравнение было записано в форме, аналогичной предложенной Грабоски и Даубертом для водорода:

а = 0И- ехрС 012- 1/ Тс ), С7)

где -коэффициенты, определяемые по чистому компоненту 1

методом минимизации функции £ (рэксп~

Правила смешения в этом случае принимает вид:

а-а = т. I У^ *Yj '(а*а) jj ,

(83

Ь = ЕУ1-Ь1; " " (9)

А = ЕЕУ1-У<-Ан; СЮ)

в = 1у-вг СИ)

Параметры перекрестных взаимодействий:

Са-а)А = (1-к WCa-cx^-Ca-a) )°'я. (12)

Ajj = U-Mlj)-(Ai-Aj)0'3 С13)

Коэффициент бинарного взаимодействия fcjj определяли по экспериментальным данным для смесей в различных вариантах - как постоянную i(jj= const и как линейную функцию концентрации кислорода в смеси в виде кц = kQ ♦ fcj-x0j.

Расчеты показали, что наилучшие результаты получены для уравнения Соаве, когда коэффициент бинарного взаимодействия Mjj был принят в виде k = f(x). Оптимальные константы и расчетные параметры приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Константы и расчетные параметры уравнения Соаве

компонент молек. масса, кг/кмоль Критич. темпер. тс,к Критич. давлен. Рс.атм Фактор ацентрич. to Универс.газ. постоянная R

кислород 31.999 154.6 49.8 0.021 82. 057 атм*см моль*К

азот 28.013 126.2 33.5 0.040

Расчетные параметры

компонент Qil Qi2 *0 *1

кислород 1.5563 0. 3979 0.' 0322 -0.2082

азот 1.5818 0.3921

Расчет плотности смеси кислород-азот аддитивными методами дает отклонения до 2%. Расчет плотности по уравнению Соаве с параметрами, настроенным) по экспериментальным данным для чистых компонентов с учетом избыточных свойств, дает средние отклонения 0.5?;

в нужной области температур 55*77К. Для более точных расчетов p,v,T данных и производных свойств может быть рекомендовано уравнение Соаве с параметром а в форме (7). при этом среднее отклонение от экспериментальных данных по плотности, полученных в настоящей работе, составило 0.1% для 101 точки в диапазоне температур 54+100К. Максимальное отклонение при этом составило 0.264.

Для аналитического описания поверхностного натяжения, как функции температуры и состава, мы воспользовались уравнением, теоретически обоснованным А. А. Жуховицким, которое было ранее получено Шиш-ковским как эмпирическое:

°m = ^(TJ^-R'T'lnCl-Nj+Nj-C), (14)

съСТ)-а.(Т)

где С * ехр —--- ; Nj- концентрация (мольная доля) компо-

"о ' R • Т нента 1 (кислорода) в жидкой фазе;

org.crj " поверхностное натяжение азота и кислорода соответственно, дин/см; п - средняя площадь поверхности молекул, составляющих смесь, см2/моль. R=8.314 дж/град'моль.

При N^=0 сгт=0£ - уравнение (14) дает значения величины поверхностного натяжения чистого азота, а при Nj=l crm-<7j - чистого кислорода. Значение пловади поверхности молекул no= 4.84621Е-10 моль/см2 было получено из экспериментальных данных с привлечением метода наименьших квадратов для их обработки. Зависимость поверхностного натяжения от температуры была предварительно описана полиномами.

Выбранная форма термодинамической корреляции хорошо описывает систему кислород-азот при всех исследованных концентрациях: среднее относительное отклонение от экспериментальных данных составляет 1.7'/, для 80 точек в интервале температур 54+77К.

В четвертой главе изложен опыт разработки и результаты испытаний конкретной системы захолаживания 40 тонн кислорода от температуры Т= 90 К до 5б+57 К за время, не превышающее 65 часов. Это время включало очистку кислорода от примесей, подготовку смеси и захола-жнвание кислорода. При создании такой системы использовалась сформированная база термодинамических данных.

Была разработана технологическая схема (рис.3), положенная в основу системы захолаживания На действующей системе было проведено сопоставление расчетных характеристик системы с действительными, изучены способы управления процессом. Были установлены оптимальные режимы подпитки вспомогательным хладоагентом, изменен тех-

нологический регламент проведения процесса захолаживания, совмещены операции очистки и охлаждения кислорода. Также была проверена возможность использования цистерны охлажденного кислорода как крио-аккумулятора при транспортировке к месту потребления с закрытым газосбросом. Для увеличения допустимого времени работы в таком режиме часть кислорода переводилась в твердое состояние, что давало возможность проводить дополнительную аккумуляцию холода.

Ряс. 3. Система захолаживания кислорода вакуумкрованием бинарной смеси. 1-сосуд с 02-адсорбер; 3-сосуд с Нд; 4-$ялътр; 5-насос иас-ляниЯ; б-насос водокольцевоЯ; 7,12-уровпеиер; 8,9,10-сосуд;11-крио-стат; В31+В320-веиталь.

В результате испытаний были подтверждены и улучгены основные технологические параметры процесса: минимально достнюшзя температура захолаживания кислорода доведена до 56 К; время на охлаждение 40 т. кислорода было уменьшено с 65 до 38 часов. Расчетное значение количества подлиточной жидкости, необходимой для проведения процесса, соответствовало реальному, а энергозатраты достаточно точно соответствовали реальным затратам с учетом КПД процесса захолазет.шял. Расхгу»яения но превышали 5+7%, что приемлемо па этапе разработки

СИСТом.

1Ьрые способы позволяют еде уменьшить расход электроэнергии па

проведение процесса и сократить время эахолаживания на 6*8 часов. Кроме этого можно повысить безопасность работы систем эахолажива-ния. Предложены три новых способа эахолаживания больших количеств кислорода.

Первый способ - эахолаживание с очисткой кислорода от углеводородов. При традиционной заправке систем взрывоопасная ситуация может возникнуть даже в том случае, если концентрация взрывоопасных примесей в исходном продукте намного ниже допустимого предела. В разработанном нами методе (Авторское свидетельство СССР N 3059913 совмещены несколько приемов и технологических операций при многократно повторяющихся циклах, когда после выдачи кислорода потребителе систему не отогревает, а заполняет вновь. Предлагаемый способ эахолаживания кислорода не улучшает энергетические или временные характеристики, однако гарантирует безопасность эксплуатации системы.

Второй способ относится к модификации базового, основанного на эахолаживаниии при помощи вспомогательного хладоагента кислород-азот. Улучшение состоит в том, что холодные пары откачиваемой азот-но-кислородной смеси, служащей хладоагентом, не выбрасывает в атмосферу, а сжимает до некоторого давления, меньшего, чем атмосферное, однако достаточного по условиям фазового равновесия для их ожижения, и возвращают в систему. (Авторское свидетельство СССР N 305937). Идея способа вытекает из анализа, который показал, что основные потери эксергии в процессе эахолаживания при вакуумировании связаны с выбросом паров в атмосферу. Так как работа на сжатие пропорциональна величине 1п(Р„-„/Ри.„), то затрачиваемая работа будет

(чип Нам

примерно в 2 раза меньше, чем при выбросе паров в атмосферу. Кроме ме этого, появляется еще ряд факторов, влияющих на повышение КПД процесса: это, во-первых, уменьшение количества подпиточной жидкости; во-вторых, уменьшение количества откачиваемых паров. Наибольший вклад в повышение КПД процесса дает возврат холодных паров в цикл. Время охлаждения кислорода может быть уменьшено на 4+6 час. , а эк-сергетический КПД системы увеличивается примерно на 20'/..

Предложенные выше способы повышения эффективности и надежности систем эахолаживания построены на модификации базового метода. Вместе с тем, эти возможности ограничены, а достижение температур ниже 55К затруднено из-за технических возможностей средств вакуумной откачки. В этих условиях особуо важность приобретает поиск принципи-

ально новых методов захолаживания.

Третий способ - захолаживание кислорода до температур ниже тройной точки посредством растворения твердого азота в кислороде представляет наибольший интерес, так как ранее никем не применялся.

Предлагаемый ниже способ захолаживания основан на применении метода охлаждения путем растворения твердого азота в жидком кислороде. Метод охаждения смешением чистых веществ в области относительно высоких температур хорошо изучен. Смешение разнофазных потоков в области пар-жидкость и использование изобарной теплоты смешения для -увеличения холодопроизводительности рефрижераторов описано в литературе, однако процесс охлаждения посредством растворения твердого компонента в жидкости в известной нам литературе не анализировался.

Для построения системы захолаживания необходимо получение твердого азота путем вакуумирования с последующим растворением его жидким кислородом, охлажденным до той же температуры. Если растворение проводить в адиабатической системе, то оно приведет к пониженно температуры из-за теплоты плавления. В дальнейшем эту предварительно охлажденную смесь можно использовать для захолаживания кислорода.

Для того, чтобы определить, насколько рассчитанный тепловой эффект при растворении соответствует действительному и какова скорость протекания процесса растворения, были проведены специальные исследования. На этом этапе исследования должны были выявить целесообразность построения систем на основе нового метода захолаживания и определить область параметров для детального изучения процесса смеше-шения.

Построенная нами диаграмма Ь-х приведена на рис.4. Наличие треугольника асЬ на диаграмме характеризует зону несмесимости. Если смешение проходит в адиабатных условиях без избыточного теплового эффекта, то процесс представляется прямой линией, соединяющей точки, соответствующие состояниям перед началом процесса. Конечная температура реального процесса зависит от количественного соотношения компонентов и теплового эффекта смешения. Как показывает Ь-х диаграмма, в результате смешения ожидается более низкая температура, что говорит о положительном тепловом эффекте смешения. Процесс смешения кислорода и азота при Т= 63 К представлен прямой 10-13. При содержании кислорода в смеси 505< конечная расчетная температура должна составить 56 К, ДТ=7К.

Диаграмма позволяет анализировать процессы смешения и с разными

начальными температурами. Например, процесс адиабатного смешения жидкого кислорода с температурой 77.7К и твердого азота при Т=63 К может быть представлен прямой пин/ей 11-10. Варьируя конечный состав смеси, можно изменять конечную температуру процесса. Минимально достижимая температура в этом процессе - 58К для смеси, содержащей 40'/. 0? Сточка 12).

Таким образом, предварительная оценка показала возможность использования этого эффекта для улучшения характеристик системы эа-холаживания; при этом, наибольший эффект понижения температуры соответствует области концентраций 50% ^-БО'-* О2 и составляет 5+6К, что актуально при создании крупнотоннажных систем захолаживания кислорода.

В экспериментах эффект понижения температуры при смешении твер-. дого азота с жидким кислородом определяли в специально созданной ячейке. Эффект понижения температуры составил 3+5 К. Результаты шести наиболее характерных опытов для 3-х составов: 30. 40, 50М

объемных кислорода в конечном составе смеси приведены в таблице 3,

На построенной нами диаграмме (рис.4) точки 1,2,3,3' соответствует условиям опыта N 1; точки 4,5,6,6'- опьгг N 3; точки 7.8,9,9' - опыт N6.

Результаты экспериментальных исследований на этом этапе показали, что максимальный эффект достигается для смеси, содержаией 40 + 50V, скорость протекания процесса достаточно зысока - процесс понижения температуры продолжался 5^6 минут после смешения; путем растворения можно понизить температуру до 51*52К; охлаждение кислорода до температуры твердого азота перед смешением необязательно. Для процесса смешения компонентов при Т=63К-(процесс 1-13) для смеси, содержащей 60% N5 (точка 14) - ДТ=6К, а при Ткксл= Т7К, Таз-63К (точка 12, процесс 10-11) - ДТ=5К,

Эти результаты актуальны для 03 кислорода, так как захолажи-вание ниже 55К затруднено технически из-за низкого давления откачиваемых пароз. Для разработки модифицированной системы захолажи-вания 40 тонн кислорода до 55+57К рекомендованы три способа, в которых используется эффект понижения температуры путем смешения разнофаэных потоков.

Таблица 3.

Экспериментальное исследование процесса растворения

АЗОТ КИСЛОРОД РАБ. ЯЧЕЙКА

N у293 азот см3 гаазот г «65 азот см3 у293 кисл см3 ""хисл г у65 кисл см3 *о2 об. Т 'нач. К Т 'кон. К ЛТД

1 9345. 5 10.912 12.673 4005.0 5, 3899 4. 2675 29.9 62.55 59.15 3.4

2 14031 16. 383 19.028 5019.9 8.1010 6.4141 30.0 61.41 58.50 2.91

3 12103 14.132 16.414 8069.1 10.858 8.59745 40.0 61.95 57.1 4.85

4 10711 12.507 14.525 7140.8 9.6094 7.60836 40.0 61.93 57.51 4.42

5 9318.7 10.831 12.637 9316.6 12.537 9:92661 50.0 58.36 55.01 3.35

6 10711 12.507 14.525 10710 14.414 11.4123 50.0 61.12 56.85 4.27

в ы в о л ы.

1. Экономически наиболее эффективны способы охлаждения, основанные на процессах вакуумирования. Такие системы при равных эксергети-

ческих КПД (примерно 11%) характеризуются наименьшими затратами энергии в месте эксплуатации по сравнению с другими типами систем аналогичного назначения, что особенно актуально при удаленности объектов. Кроме этого, системы на базе вакуумирования более надежны и просты ь эксплуатации.

2. В системах захолаживания кислорода прямая откачка неэффективна из-за низкого давления насыщенных паров кислорода. В качестве вспомогательного хладоагента целесообразно использовать бинарную смесь кислорода с азотом, что обеспечивает достижение температуры 56К при относительно высоком давлении паров -18*20 мм.рт.ст. Основной резерв уменьшения энергозатрат в процессе - возврат откачиваемых паров в цикл. Использование холода откачиваемых паров увеличивает КПД процесса в 1.1*1.2 раза, что актуально для захолаживания больших количеств кислорода.

3. Впервые полученные экспериментальные данные по плотности и поверхностному натяжению для смесей кислород-азот в области температур 54+64К по точности соответствуют современным требованиям при создании базы соответствующих стандартных термодинамических данных.

4. Для описания термодинамических свойств смеси кислород-азот уравнениями состояния в области температур 55*77К целесообразно использовать модифицированное уравнение состояния Соаве с параметрами, настроенными по экспериментальным данным.

5. Разработанная на основе вакуумирования смеси кислород-азот система захолаживания кислорода имеет высокие эксплуатационные и энергетические характеристики, что подтверждено в ходе экспериментальных исследований на действующей системе. В частности, время захолаживания было уменьшено с 65 до 38 часов.

6. Предложенные в данной работе новые способы захолаживания кислорода позволяет дополнительно сократить время охлаждения на 6-8 часов и существенно снизить энергетические затраты. Особенно перспективно использование смешения твердого азота с жидким кислородом; максимальный эффект при этом составляет 5*6К для эквимолярных составов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах: 1.0стронов М. Г. , Остромоухов В. Б., Билич В. В. Метод измерения плотности сжиженных газов и газовых смесей при низких температурах и давлениях, близких к атмосферному //ЖФХ. -1981. -т. 1.7. -1! 2.

-С.537-538.

2.Остромоухов В.Б., Остронов М.Г. Плотность жидкого кислорода -М. , 1983. -5с. -Деп. в ОНШЭХШ 26.10. 82. N 1364хп-Д82.

3.Остромоухов В. Б.. Остронов М.Г. Методика измерения плотности многокомпонентных сжатых криогенных смесей //Всесоюзная научно-технической конференции: Тез. докл. -Гродно,1985.-С. 121.

4.Остромоухов В.Б..Остронов М. Г. Экспресс-метод контроля содержания примесей в жидком кислороде и азоте //Экспресс-информация министерства по производству минеральных удобрений/Серия Азотная промышленность. -М. , 1988. -Вып. 4/2. -С. 18-22.

5.Остромоухов В.Б., Остронов М.Г. Установка для-измерения плотности, поверхностного натяжения и фазовых равновесий пар-жидкость-твердая фаза криогенных смесей при низких давлениях и температурах до 55 К //Теоретические основы производства азотных удобрений/ Труды ГИАП. -М. ,1988. -С. 94-102.

6. Остромоухов В. Б., Ительд Г. М. , Остронов М. Г. Термодинамические свойства жидких смесей кислород-азот при температурах 55-77К //Теоретические основы производства азотных удобрений/ Труды ГИАП. -М., 1991. -С. 123-130.

7. Способ охлаждения и хранения жидкого продукта: A.c.305991 СССР/ Остронов М.Г. .Остромоухов В.Б. .Зашляпин P.A. .Насибулин И.К., Синицын Е. Я., Новоселов В. Ф., Чернов Н.О. , Бурцев В. М. С СССР)

8. Способ непрерывного охлаждения и криостагирования продуктов до температуры 55 К: А.с.305937 СССР/ Остронов М.Г.. Остромоухов В. Б., Синицын Е. Я. (СССР).

Подписало к печати iOti-

Псч .1. / Д. 5_Тираж ICQ Защ ibbu

Типография .МЭН, Крапткпзариснная, П,