Теоретические основы криогенной техники

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Уфимский государственный авиационный технический университет»

 

 

Учебно-методический материал

Раздел №1

«Теоретические основы криогенной техники»

По специальности «Эксплуатация и ремонт средств аэродромно-технического обеспечения самолетов и вертолетов»

 

 

Обсуждено на заседании ПМК №2

Протокол № __________________

от «__» _________________20__г.

 

Уфа 2011

Оглавление

Тема № 1. СЖАТИЕ ГАЗОВ.. 5

Лекция №1. Назначение, содержание дисциплины. Принцип работы компрессоров и воздухоразделительных установок. 5

Учебный вопрос № 1. Назначение и содержание дисциплины. 5

Учебный вопрос № 2. Роль газов в обеспечении полетов авиации. 11

Учебный вопрос № 3. Назначение, классификация, характеристики и области применения компрессоров 14

Учебный вопрос № 4. Построение диаграммы S – Т. 19

Групповое занятие № 1. ПРОЦЕССЫ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО И МНОГОСТУ-ПЕНЧАТОГО СЖАТИЯ ГАЗОВ.. 22

Учебный вопрос № 1. Одноступенчатое сжатие и его предел. 22

Учебный вопрос № 2. Многоступенчатое сжатие. 27

Тема № 2. ОЧИСТКА И ОСУШКА ВОЗДУХА. 31

Лекция №1. Очистка и осушка воздуха. 31

Учебный вопрос № 1. Необходимость очистки и осушки воздуха. 31

Учебный вопрос № 2. Способы очистки воздуха. 37

Групповое занятия №2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами 41

Учебный вопрос № 1. Характеристики адсорбентов. 41

Учебный вопрос № 2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами 43

Практическое занятие № 1. АДСОРБЕРЫ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ. 48

Учебный вопрос № 1. Адсорберы ВРУ и взрывоопасность. 48

Тема № 3. РАСШИРЕНИЕ ГАЗОВ. 54

Лекция № 1. ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОВ. 54

Учебный вопрос № 1. Сущность процесса дросселирования. 54

Учебный вопрос № 2. Эффекты дросселирования. 59

Учебный вопрос № 3. Применение процесса дросселирования и влияние различных факторов на его эффективность. 62

Групповое занятие № 2. Расширение газов с отдачей внешней работы. 64

Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация детандеров. 64

Учебный вопрос № 3. Общее устройство и рабочий процесс турбодетандеров. 69

Учебный вопрос № 4. Сущность процесса расширения газов с отдачей внешней работы.. 72

Учебный вопрос № 5. Характеристика процесса расширения газов. 74

Тема № 4. ГЛУБОКОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ. 77

Лекция № 1. глубокое охлаждение и его циклы. 77

Учебный вопрос № 1. Классификация циклов глубокого охлаждения. 77

Учебный вопрос № 2. Абсорбционная холодильная установка. 79

Учебный вопрос № 3. Пароэжекторная холодильная установка. 81

Учебный вопрос № 4. Газовые холодильные машины.. 82

Групповое занятие № 2. Основные способы получения холода. 85

Учебный вопрос № 1. Основные способы получения холода, используемые в действительных циклах глубокого охлаждения. 85

Учебный вопрос № 2. Холодильные циклы с дросселированием.. 88

Групповое занятие № 3. холодильные циклы с расширением воздуха в детандерах. 93

Учебный вопрос № 1. Холодильный цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере. 93

Учебный вопрос № 2. Холодильный цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере. 95

Учебный вопрос № 3. Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы) 97

Тема № 5. ректификация. 100

Лекция № 1. процессы испарения и конденсации. 100

Учебный вопрос № 1. Общая характеристика процессов испарения и конденсации. 100

Учебный вопрос № 2. Равновесие между жидкостью и паром в системе «кислород-азот» и диаграммы её равновесного состояния. 103

Групповое занятие № 2. процесс ректификации. 108

Учебный вопрос № 1. Сущность процесса ректификации. 108

Учебный вопрос № 2. Однократная ректификация бинарной смеси. 113

Учебный вопрос № 2. Двукратная ректификация бинарной смеси. 116

Тема № 6. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИ-ТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК. 120

Лекция № 1. ТЕПЛООБМЕННИКИ. 120

Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация теплообменных аппаратов. 120

Учебный вопрос № 2. Рекуперативные теплообменники. 121

Групповое занятие № 2. КОНДЕНСАТОРЫ-ИСПАРИТЕЛИ.. 129

Учебный вопрос № 1. Классификация и характеристики конденсаторов-испарителей. 129

Учебный вопрос № 2. Теплоотдача при конденсации пара. 134

Учебный вопрос № 3. Теплоотдача при кипении. 136

Групповое занятие № 3. РЕГЕНЕРАТОРЫ... 140

Учебный вопрос № 1. Принцип действия регенераторов. 140

Учебный вопрос № 2. Очистка воздуха от воды и двуокиси углерода в регенераторах. 142

Учебный вопрос № 3. Способы обеспечения незабиваемости регенераторов. 146

Практическое занятие № 4. РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ КОЛОННЫ... 151

Учебный вопрос № 1. Назначение и состав ректификационных колонн. 151

Учебный вопрос № 2. Классификация ректификационных колонн. 153

Учебный вопрос № 3. Конструкция ректификационных колонн промышленных установок разделения воздуха. 157

Тема № 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГАЗОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В АВИАЦИИ.. 169

Лекция № 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВЕЩЕСТВ В ГАЗЕ. 169

Учебный вопрос № 1. Требования к качеству газов, применяемых в авиации. 169

Учебный вопрос № 2. Виды и объемы контроля качества газов, применяемых в авиации. 170

Учебный вопрос № 3. Определение содержания кислорода и азота в газовых смесях. 173

Учебный вопрос № 4. Определение содержания ацетилена, масла и вредных примесей в кислороде 174

Групповое занятие № 2. Приборы для определения влажности и качества газов, применяемых в авиации. 177

Учебный вопрос № 1. Приборы для определения влажности газов. 177

Учебный вопрос № 2. Современные методы и приборы контроля качества газов. 187

Учебный вопрос № 3. Методы измерений и приборный парк. 190

 

 

 

 

Тема № 1. СЖАТИЕ ГАЗОВ

Лекция №1. Назначение, содержание дисциплины. Принцип работы компрессоров и воздухоразделительных установок

Учебный вопрос № 1. Назначение и содержание дисциплины

 

Необычный мир низких температур постоянно привлекает внимание исследователей из самых различных областей знаний и является источником новых идей и открытий. Явления, эффекты и свойства, проявляющиеся в низкотемпературной области, открывают перед учеными и инженерами широкий круг новых возможностей.

Достижения низких и сверхнизких температур ценно для нас тем, что в этих условиях мы встречаемся с новыми явлениями и фактами, которые помогают проникать в суть строения материи, позволяют использовать новые методы исследования; наконец, низкие температуры являются важным инструментом технического прогресса, особенно в области новой техники.

В настоящее время сложилось научное направление, связанное с изучением и использованием низкотемпературных систем, причем для его характеристики широко используется термин «криогенный». В переводе с греческого этот термин означает «производящий холод», теперь же он служит для определения всей широкой области получения и применения низких температур. В наши дни под криогеникой понимают не холодильную технику и технологию вообще, а только те их области, которые связаны с получением или использованием температур ниже 120 К (это значение принято на ХШ Конгрессе по холоду в 1971 г.). Таким образом, криогенная техника – это техника создания и применения наиболее низких температур, которые в естественных условиях Земли и околоземного пространства не наблюдаются.

Исключительно важное промышленное и научное значение криогеники, огромный интерес к ее достижениям и быстро расширяющиеся сферы ее приложения объясняются следующим.

Во-первых, все более увеличивается применение многими отраслями промышленности (металлургия, химия, энергетика, атомная, авиационная, ракетная и космическая техника, сельское хозяйство, медицина, пищевая промышленность и др.) различных так называемых промышленных газов: кислорода, азота, метана, аргона, водорода, гелия, неона, криптона и некоторых других. Эти газы, используемые как в жидком, так и в газообразном состоянии, имеют низкие температуры кипения, лежащие в области криогенных. Поэтому технология их получения, применения, транспортирования, хранения органически связана с криогеникой и составляет ее обширную область.

Во-вторых, при низких температурах уменьшается электрическое сопротивление, и обнаруживаются такие свойства материи, как сверхпроводимость и сверхтекучесть. В настоящее время начинают широко использовать охлаждение до очень низких температур обмоток электрических машин и аппаратов и сверхпроводников в энергетике, приборостроении, на транспорте, а также в ряде новых перспективных областей техники. В последние годы открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости и созданы материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах 92…98 К и даже более высоких. Практическое использование этих материалов приведет к принципиальным техническим преобразованиям.

Третий фактор, объясняющий важнейшую роль криогеники, заключается в уменьшении энтропии при снижении температуры, иными словами, в уменьшении внутренних «шумов». Возможности практического использования этих явлений для дальней космической радиосвязи, в инфракрасной и лазерной технике трудно переоценить. Необходимо отметить, что такие низкотемпературные процессы, как вымораживание, конденсация и криосорбция, имеют большое самостоятельное значение, так как являются эффективными средствами достижения высокого и сверхвысокого вакуума. Наконец, криогенные приборы и установки занимают особое положение как средства обеспечения сложнейших физических исследований.

Базой, на которой создаются все современные криогенные системы, являются криогенные машины – машины, в которых хотя бы один процесс рабочего цикла протекает при температурах ниже 120 К. Их можно подразделить на машины, производящие холод, и на машины, обеспечивающие сжатие и транспортировку криоагентов.

К первой группе относятся машины, в которых сжатый газ или пар расширяется и производит работу. Эти машины предназначены для преобразования теплоты, отводимой от объекта охлаждения при низких температурах, в механическую энергию, которую можно передать, отводить к внешним объектам. Обязательными элементами таких машин являются устройства для восприятия механической энергии от газа: поршень, колесо турбины, вытеснитель. К рассматриваемым машинам относятся детандеры (расширительные машины) и так называемые криогенные газовые машины (КГМ).

Детандеры аналогичны тепловым двигателям, т.е. поршневым паровым двигателям и турбинам. Эти машины получили широкое распространение в качестве генераторов холода в воздухоразделительных установках (ВРУ), в рефрижераторных гелиевых установках (РГУ) и установках для получения жидких гелия, водорода и других газов.

В КГМ работа расширения газа в холодной полости передается через поршень на вал или вытеснителем к газу, находящемуся в тепловой полости. В КГМ теплообменные аппараты размещены в мертвых объемах поршневой машины. Простейшая КГМ эквивалентна криогенной установке, состоящей из поршневого детандера и теплообменных аппаратов, а КГС Стирлинга – криогенной установке, состоящей из поршневых компрессора и детандера и теплообменных аппаратов. В теплоиспользующих КГМ производят холод за счет подвода теплоты от высокотемпературного теплового источника. В этом случае КГМ состоит из теплового двигателя, компрессора и криогенной установки. Реализация нескольких процессов в одном агрегате позволила сократить массу и размеры установки. Поэтому КГМ получили наибольшее распространение в микрокриогенной технике. Их используют также в качестве генераторов холода в воздухоразделительных установках и гелиевых системах небольшой холодопроизводительности и для переконденсации паров при длительном хранении жидких криопродуктов.

Ко второй группе криогенных машин относятся компрессоры и насосы, работающие при температурах ниже 120 К. Они отличаются от аналогичных машин, используемых при нормальных температурах, спецификой теплофизических свойств газов, жидкостей и конструкционных материалов при низких температурах, а также особенностями компоновки с другими агрегатами криогенных установок. Применение холодных компрессоров позволяет организовать каскады для отвода теплоты из зоны с наиболее низкой температурой в зону с промежуточной температурой. Насосы применяют в ожижителях газа и воздухоразделительных установках для выдачи криопродукта при повышенном давлении, а также в гелиевых рефрижераторах для прокачки переохлажденного гелия через каналы охлаждаемых устройств.

 

Краткий исторический очерк развития криогенной техники.

На рубеже ХIХ и ХХ вв. зародилась криогенная техника, поэтому важно отметить то предвиденье одного из первых исследователей в этой области, который в 1903 г. высказал мнение: «Сжижение воздуха в промышленном масштабе является не только революцией в науке, но также – и притом, главным образом, революцией экономической и социальной». Эти слова принадлежат французскому исследователю Жану Клоду, который работал в области технологии получения жидкого воздуха. Заслуга первого практического применения расширительной машины в криогенной технике принадлежит ему. Хотя идея использования процесса расширения для охлаждения высказывалась и ранее.

В 1898 г. Ж. Клод изготовил и начал испытания первой расширительной машины, которая состояла из небольшого вертикального пневматического мотора, тормозимого куском дерева, и теплообменника. При этом первые попытки были направлены на получение в конце процесса расширения парожидкостной смеси. Надо отметить, что они не привели автора к положительному результату, поэтому он стал использовать расширительную машину в качестве генератора холода для предварительного охлаждения воздуха, находящегося под давлением. Работы по созданию первых поршневых расширительных машин были независимо проведены Пикте (1905 г.), Гейландом (Германия) и Плясом (США). Гейланд применил поршневой детандер высокого давления в установке сжижения воздуха, который на входе в машину имеет температуру, близкую к условиям окружающей среды, поэтому средняя температура в процессе расширения стала выше, что дало автору возможность использовать смазку минеральным маслом.

В установках ожижения гелия поршневой детандер был применен академиком П. Л. Капицей. В первой машине отказались не только от смазки, но и от плотно двигающегося поршня, который двигался совершенно свободно, и газ протекал через зазор между цилиндром и поршнем. Уменьшение влияния утечки достигалось за счет уменьшения времени процесса расширения по сравнению со временем возвращения поршня назад. У первого образца машины КПД был около 0,7. Основные идеи этой конструкции в дальнейшем получили развитие в конкретных инженерных решениях поршневых детандеров гелиевых установок.

В процессе совершенствования конструкции поршневых детандеров большое внимание исследователи уделяли организации газораспределения. Классический тип поршневого детандера (ПД) с двумя клапанами впуска и выпуска, управляемого от кулачков, находящихся на коленчатом валу, долгое время оставался единственным, находившим применение в криогенной технике. Однако инерционные усилия, возникающие в механизме управления клапанами, сдерживали частоту вращения коленчатого вала. Увеличения частоты вращения можно было достигнуть, если изменить конструкцию узла газораспределения. Замена клапанного механизма окнами привела к созданию бесклапанного детандера для расширения гелия Доллом и Эдером в 1964 г. У нас этот принцип был еще ранее использован В. Б. Гридиным при проектировании и изготовлении прямоточного детандера, в котором впуск осуществлялся через клапан, а выпуск – через окна.

Другой тип газораспределения – внутренний привод клапанов, в котором запорные органы открываются системой подпружиненных толкателей, расположенных в поршне. Впервые внутренний привод клапанов применен С. Коллинзом в 1938-1940 гг., в отечественной практике разработаны машины с внутренним приводом клапанов В. А. Белушкиным, Н. Ф. Готвянским, А. Б. Грачевым и Н. М. Савиновой.

Электромагнитный привод клапанов был осуществлен в НПО «Криогенмаш» Е. А. Докшицким. Первоначально импульс на открытие и закрытие клапанов вырабатывался на механическом устройстве типа кулачкового. В современных ПД применяется микропроцессорное управление клапанами, которое позволяет в принципе осуществлять любую диаграмму рабочего процесса машины.

Идея применения турбин для охлаждения газа была высказана одновременно с появлением ПД, но практическое применение задержалось на 30 лет. В 1930-х годах в воздухоразделительных установках стали применяться турбодетандеры. Первые турбодетандеры создавались по типу паровых турбин с активным лопаточным аппаратом. Впервые такая криогенная турбина была применена фирмой «Линде» (Германия), в советской промышленности выпускали детандер ТД 3100-6/1. Эти машины имели КПД около 0,7.

П. Л. Капица в 1936 г. обратил внимание на тот факт, что воздух при низких температурах становится плотным и по своим свойствам приближается к жидкостям. Это навело его на мысль, что криогенные турбины надо строить не по образцу паровых, а по образцу гидравлических реактивных турбин. С тех пор турбодетандеры выполняются реактивными, с длинными лопатками рабочего колеса, а их КПД возрос до 0,8-0,85. В первые годы турбодетандерные агрегаты выполняли по схеме «турбина – редуктор – электрогенератор», что ограничивало частоту вращения вала машины. Поэтому турбодетандеры были машинами больших расходов и малых отношений давлений. Работы по созданию высокооборотных гидро- и газостатических подшипников и отказ от утилизации выделяемой энергии в генераторе, использование гидравлических или газодинамических тормозных устройств для диссипации выделяемой энергии позволили создать высокооборотные криогенные турбодетандеры, что значительно расширило область их применения, появились турбодетандеры среднего и высокого давления для ВРУ, гелиевые детандеры для криогенных установок.

В настоящее время ведутся работы по созданию парожидкостных турбодетандеров, которые могут использоваться вместо дросселя в ВРУ.

Первые КГМ были созданы фирмой «Филипс» (Голландия) в начале 1950-х годов прошлого столетия. Следует заметить, что все криогенные машины создавались на базе существующих тепловых двигателей. Так, если для поршневого детандера прототипом является паровой двигатель, а для турбодетандера – газовая турбина, то для КГМ – двигатель внешнего сгорания.

Изобретение одного из видов двигателей внешнего сгорания связано с именем шотландского священника Роберта Стирлинга, в 1816 г. получившим патент на «…машину, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха». Заложенные в двигателе идеи намного опережали свой век и только, по существу, в наше время получают должную оценку. В основу двигателя Стирлингом положена машина, работающая по замкнутому термодинамическому регенеративному циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения объема. Таким образом, этот принцип может быть положен как в основу преобразования теплоты в работу (прямой цикл), что имеет место в двигателе, так и, наоборот, – работы в теплоту (обратный цикл).

В 1834 г. Дж. Гершель предложил конструкцию Р. Стирлинга в качестве холодильной машины для приготовления льда. Однако практически эта идея была реализована только через 30 лет А. Кирком в Шотландии. В 1874 г. он описал конструкцию холодильной машины с регенерацией теплоты, которая уже к этому времени проработала 10 лет. Изобретателем был сконструирован ряд холодильных машин Стирлинга для различных потребителей. Однако на своих конструкциях А. Кирку не удалось достигнуть уровня температур, характерных для криогенной техники. Во второй половине XIX в. появились двигатели внутреннего сгорания и аммиачные холодильные машины, которые практически вытеснили машины Стирлинга.

Фирма «Филипс» начала работы по возрождению забытых машин в конце 30-х – начале 40-х годов ХХ в. Программа фирмы включала создание маломощного с низким уровнем звука электрического генератора с тепловым приводом для питания радиоаппаратуры, другая группа исследователей под руководством И. Келлера предприняла серьезные усилия для промышленной разработки холодильных (криогенных) машин Стирлинга на современно уровне технологии. В 1945 г. при испытаниях конструкции двигателя мощностью в 1 л.с. в качестве холодильной машины удалось ожижать воздух. С 1953 г. фирма «Филипс» начала серийный выпуск КГМ Стирлинга. Реализация предложенных Стирлингом конструктивных мероприятий при разработке машины на современном технологическом уровне позволила фирме создать КГМ с КПД, превышающим КПД криогенных установок такой же холодопроизводительности.

В 1960-е годы ведущими криогенными фирмами США, такими как «МалакерКорпорайшн», «Хьюз Эйркрафт», «Мартин – Мариетта» совместно с Северо-Американским отделением фирмы «Филипс» были созданы разнообразные конструкции КГМ Стирлинга с полезной холодопроизводительностью от 1 Вт до 420 кВт. В эти же годы был начат серийный выпуск отечественных машин (ЗИФ-700, ЗИФ-1000, КГМ-9000/80 и др.). Распространение получили микрокриогенные машины Стирлинга, которые перекрывают требуемый диапазон полезных холодопроизводителей практически во всем интервале температур от 8 до 80-100 К. Разработаны конструкции простого и двойного (1959 г.) действия с кривошипно-шатунным и ромбическим (1965 г.) приводом поршня и вытеснителя. В 1959 г. появились первые КГМ Стирлинга со свободным вытеснителем, в 1970 г. – начат серийный выпуск сплит-Стирлингов (КГС с отделенной низкотемпературной частью). Начиная с 1978 г. и до настоящего времени ведутся интенсивные проработки конструкций машин с линейным приводом и магнитным подвесом поршня и вытеснителя.

Первое описание теплоиспользующей КГМ было приведено Р. Вюлюмье в патенте США в 1918 г. Однако каких-либо сведений о попытках практической реализации идеи история не сохранила. Повторное изобретение машины было сделано в 1938 г. В. Бушем, который занимался разработкой теплоиспользуемых компримирующих устройств. В 1951 г. сотрудником лаборатории в Лейденском Университете (Голландия) К. Таконисом был взят патент США на криогенную машину с тепловым приводом и регенерацией теплоты. Поэтому часто в литературе КГМ этого типа называют машинами Вюлюмье или Вюлюмье-Такониса. Благодаря высокой эффективности, «всеядности» (для работы машины необходим любой возможный источник теплоты высокого потенциала), длительному ресурсу и высокой надежности эти машины нашли применение в транспортных системах. Значительное число успешных разработок теплоиспользующих КГМ выполнено в США фирмой «Хьюз Эйркрафт». С 1973 г. серийно выпускаются сплитмашины и трехступенчатые машины с полезной холодопроизводительностью 3 Вт на уровне 12 К. Ресурс непрерывной работы машин доведен до 20 000 ч.

В настоящее время конструктивные разработки в основном касаются совершенствования приводного механизма и поиска конструкционных материалов для горячих цилиндров и нагревателей. Для охлаждения приемников излучения и других устройств потребовались машины с холодопроизводительностью в десятки раз меньшей холодопроизводительности выпускаемых в то время криогенных машин. В конце 1950-х гг. в США В. Гиффордом и Г. Мак-Магоном были запатентованы два типа КГМ с независимым источником сжатого газа.

Прототипом первой КГМ (в отечественной литературе принято название – детандер со встроенным регенератором) является забытая холодильная машина, изобретенная в Германии Сольвеем еще в 1887 г. Она представляет собой поршневой детандер, в котором между рабочими клапанами и полостью расширения располагается регенератор. Однако несмотря на современную технологическую базу сложная конструкция тормозного устройства, трудности с подбором материалов и конструкций уплотнительных элементов поршня обусловили низкую эффективность и малую надежность первых образцов, изготовленных фирмой «А. Д. ЛиттлИнкорпорейтд». По этим причинам машины не получили развития.

В основу второго типа КГМ положена конструкция регенеративной холодильной машины, изобретенная Д. Постлом в Австралии и запатентованная в Англии в 1873 г. Оригинал представлял собой машину двойного действия, с помощью клапанов соединенную с компрессором двойного действия, в качестве рабочего тела которой использовался водород. Подобные холодильные машины предназначались для охлаждения мяса на морских судах.

В 1960 г. В. Гиффорд и Г. Мак-Магон, по существу, вторично изобрели машину. Разделив узел расширения и узел сжатия, им удалось реализовать оригинальный холодный цикл с неравновесным расширением рабочего газа и передачей энергии в окружающую среду в виде теплоты. После создания первых удачных образцов в течение года был освоен серийный выпуск КГМ Гиффорда – Мак-Магона.

Надо отметить, что в России также широко и глубоко занимаются теорией и опытно конструкторской разработкой КГМ. Большой вклад в развитие теории КГМ был сделан группой ученых МВТУ им. Баумана. Следует отметить работы по моделированию рабочего процесса КГМ Н. М. Григоренко, А. Г. Подольского и др. Группа исследователей НПО «Микрокриогенмаш» под общим руководством А. К. Грезина провела работы по исследованию и созданию эффективных КГМ для микрокриогенной техники.

Учебный вопрос № 2. Роль газов в обеспечении полетов авиации

 

Современные типы воздушных судов авиации Вооруженных Сил Российской Федерации снабжены разветвленными бортовыми газовыми системами, играющими важную роль в обеспечении полетов и боевой деятельности авиации. К таким системам относятся:

- кислородные системы;

- воздушные (пневматические) системы;

- азотные системы;

- системы нейтрального газа (системы "НГ");

- противопожарные системы.

Наряду с вышеуказанными газовыми системами в конструкциях перспективных типов воздушных судов в будущем возможно применение и других бортовых газовых систем, в том числе:

- гелиевых и азотно-гелиевых систем;

- топливных систем, в которых рабочий газ (сжиженные водород иди природный газ) может применяться в качестве топлива для авиадвигателей воздушных судов.

Кислородная система воздушного судна предназначена для создания летному экипажу (пассажирам, личному составу десанта) необходимых условий жизнедеятельности и обеспечения переносимости им воздействия неблагоприятных факторов (пониженного атмосферного давления, перегрузок) при выполнении высотных и скоростных полетов, катапультировании в защитном снаряжении, а также для обеспечения форсажного режима работы авиадвигателей воздушного судна и надежного их запуска в полете.

Бортовая кислородная система воздушного судна включает в себя две автономные (независимые одна от другой) системы:

- кислородную систему обеспечения жизнедеятельности экипажа;

- систему кислородной подпитки авиадвигателей воздушного судна.

Кислородная система обеспечения жизнедеятельности экипажа вместе с другими бортовыми системами воздушного судна (системой кондиционирования воздуха и наддува гермокабины воздушного судна; системой аварийной эвакуации и опасения экипажа) входит в состав системы обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) экипажа воздушного судна.

Указанная кислородная система совместно с защитным снаряжением экипажа и другим оборудованием (средствами наддува противоперегрузочных костюмов и вентиляции защитного снаряжения) предназначена для создания летному экипажу (пассажирам, личному составу десанта) необходимых условий жизнедеятельности, сохранения его работоспособности и обеспечения переносимости им воздействия неблагоприятных факторов в полете и при катапультировании в защитном снаряжении.

Кислородные парашютные приборы, размещаемые в катапультных креолах, содержат автономный запас кислорода и регуляторы, обеспечивающие подачу кислорода для дыхания летчика и наддува высотно-компенсирующего костюма в процесс катапультирования и последующего сжижения до безопасной высоты.

Система кислородной подпитки авиадвигателей воздушного судна предназначена для обеспечения надежного запуска авиадвигателей в полете, а также для обеспечения форсажного режима работы авиадвигателей.

Она включает в. себя источник кислорода и оборудование, обеспечивающее подачу кислорода под избыточным давлением в камере сгорания и форсажные камеры авиадвигателей воздушного судна.

Воздушные (пневматические) системы воздушных судов авиации Вооруженных Сил предназначены для приведения в действие: различных агрегатов и механизмов вооружения, антиобледенительных устройств, щитков закрылков, створок люков, обеспечения герметизации фонарей кабин воздушных судов, подъема откидных частей фонарей, для уборки и выпуска шасси, торможения колес, приведения в действие тормозных парашютов, обеспечения надежной работы топливной, гидравлической, электрической систем и бортовой радиоэлектронной спецаппаратуры воздушных судов и других целей.

Рабочим газом (источников энергии) пневмосистем воздушных судов является сжатый воздух, который расходуется из емкостей, находящихся на воздушном судне. В качестве емкостей для сжатого воздуха в пневмосистемах применяются как авиационные воздушные баллоны, так и воздушные полости агрегатов и узлов воздушных судов.

Зарядка сжатым воздухом емкостей пневмосистем воздушных судов осуществляется от воздухозаправщиков и унифицированных газозарядных станций.

Азотные системы воздушных судов предназначены для зарядки амортизационных стоек, пневматиков колес шасси, обеспечения надежной работы бортовых гидравлических систем, охлаждения блоков бортовой спецаппаратуры воздушных судов и авиационных ракет Рабочим газом в бортовых азотных системах большинства современных типов воздушных судов является сжатый газообразный азот, заряжаемый в емкости судов от азотозаправщиков (воздухозаправщиков) и унифицированных газозарядных станций.

На некоторых типах воздушных судов в системах криогенного охлаждения блоков бортовой спецаппаратуры применяется жидкий азот, который заправляется в бортовые криогенные емкости судов из цистерн для хранения и транспортирования криопродуктов ЦТК (транспортных резервуаров для жидкого кислорода и азота ТРЖК).

Кроме использования в бортовых системах воздушных судов, газообразный азот применяется для проведения двойного азотирования топлива в топливных баках некоторых типов воздушных судов (например, самолета ТУ-160) с целью повышения их живучести в боевых условиях.

Высококондиционный (сухой) газообразный азот применяется также для поддавливаниягермоконтейнеров, в которых транспортируются и хранятся авиационные ракеты.

Системы нейтрального газа воздушных судов предназначены для защиты топливных баков судов от взрыва в случаях:

прострела топливных баков бронебойно-зажигательными снарядами;

возникновения пожара на воздушном судне;

попадания разряда молнии в воздушное судно;

аварийной посадки воздушного судна и т.п.

Указанные системы должны обеспечивать защиту топливных баков воздушного судна на протяжении всего полёта. Причиной, обуславливающей возможность взрыва топливных баков воздушных судов в вышеуказанных случаях, является повышение концентрации кислорода в надтопливном пространстве топливного бака в обычных условиях. Смешиваясь с кислородом, пары топлива образуют взрывоопасную смесь.

Известно, что взрывобезопасной концентрацией кислорода в надтопливном пространстве топливного бака является его содержание в количестве не более 10...11% от объема. При такой концентрации кислорода даже прострел топливного бака бронебойно-зажигательным снарядом не вызывает взрыва топливного бака.

Снижение концентрации кислорода в надтопливных пространствах топливных баков до минимального значения путем их заполнения (наддува) нейтральным (инертным) газом и призвана обеспечить система нейтрального газа (система "НГ") воздушного судна. В качестве нейтральных газов в системах "НГ" воздушных судов могут использоваться:

газообразный сжатый или жидкий азот – в азотных системах «НГ»;

жидкая или газообразная (в зависимости от давления и температуры) двуокись углерода – углекислота – в углекислых системах;

продукты сгорания топлива бортовых газогенераторных установок воздушных судов.

В конструкциях современных типов воздушных судов авиации ВС РФ применяются азотные и углекислотные системы нейтрального газа.

Противопожарные системы воздушных судов обеспечивает тушение пожара как на борту, так и в двигательном отсеке. Тушение осуществляется огнегасящим веществом, в качестве которого используется фреон 114 В2 – дибромтетрафторэтан. Кроме этого может использоваться состав «7» (жидкая смесь бромистого метилена, бромэтила).

Система пожаротушения состоит из:

баллона с головкой-затвором, предназначенного для содержания на борту самолета огнегасящего состава;

коллекторов-распылителей, предназначенных для рассеивания огнегасящего состава.

Для улучшения распыла в противопожарный баллон заряжается воздух под давлением 150 кг/см2 при t = + 15°С

 

Учебный вопрос № 3. Назначение, классификация, характеристики и области применения компрессоров

 

Во всех отраслях современной промышленности и народного хозяйства широко применяются машины для сжатия и перемещения различных газов – нагнетатели или компрессорные машины. В связи с бурным развитием авиации, увеличением дальности и высоты полётов широкое применение находят нагнетатели для обеспечения авиации сжатыми и сжиженными газами.

Нагнетатели, применяемые в технике, работают по различным принципам, но в основе каждого из них лежит изменение состояния газа, связанное с повышением температуры, давления и уменьшения объема при затрате на это механической работы.

Название газовой машины – компрессор, газодувка, вентилятор – обусловлены величиной давления, создаваемого машиной. Такое подразделение довольно условно.

Основными параметрами каждого нагнетателя являются его производительность (расход) и давление (напор). Нагнетатели принято подразделять на группы по величине этих параметров.

Используя величины производительностей и напоров различных конструкций нагнетателей и нанося их в координатной системе Q – Н, можно получить график областей применения различных типов нагнетателей.

В зависимости от создаваемого давления нагнетатели разделяются на:

вентиляторы, создающие давление до 0,1 ат;

воздуходувки, создающие давление до 3 ат;

компрессоры, создающие давление более 3 ат;

вакуум-насосы, создающие разряжение, то есть давление меньше атмосферного.

По принципу работы нагнетатели разделяются на:

поршневые;

центробежные;

осевые;

ротационные;

мембранные.

В поршневом нагнетателе сжатие газа производится возвратно-поступательным движением поршня. Выталкивание газа происходит с момента открытия нагнетательного клапана за счет разности давлений в цилиндре и нагнетательном трубопроводе. Всасывающий клапан открывается при движении поршня от ВМТ к НМТ, когда давление газа в цилиндре будет ниже, чем во всасывающем трубопроводе.

В центробежных нагнетателях или турбокомпрессорах сжатие производится вращающимся рабочим колесом, имеющим специальные лопатки. Газ непрерывно поступает через отверстие, расположенное в центре вращающегося рабочего колеса и на выходе имеет большее давление, чем при входе в колесо. Увеличение давления происходит благодаря действию центробежных сил на увлекаемый во вращение газ, а также вследствие уменьшения скорости в каналах лопастного колеса и направляющего аппарата.

В осевом нагнетателе сжатие происходит при движении газа между лопастями вращающихся колес и при его движении в каналах направляющего аппарата. Сжимаемый газ непрерывно поступает к рабочему колесу вдоль его оси, проходит между лопастями колеса, сжатие происходит за счет сопротивления направляющего аппарата и инерционных сил.

Ротационные пластинчатые нагнетатели производят сжатие газа принудительно выдвижными пластинами ротора, эксцентрично смещенного относительно стартера.

Мембранные нагнетатели производят сжатие газа за счет прогиба мембраны.

В частях ВВС нагнетатели устанавливаются на кислорододобывающих, кислородно-зарядных и аэродромно-компрессорных станциях. В народном хозяйстве применяются поршневые компрессоры производительностью до сотен тысяч м3 в час. Центробежные машины применяются, главным образом, при давлениях от 0,5 до 10 ат и производительности 100 м3 в минуту. Центробежные вентиляторы и воздуходувки применяются для обдува агрегатов с целью их охлаждения, для наддува воздуха в цилиндры двигателей с целью повышения их мощности, а также вентиляции помещений. Центробежные турбокомпрессоры применяются в мощных двигателях, газовых турбинах и кислорододобывающих установках, работающих по циклу низкого давления. Ротационные машины применяются при давлениях не более 15 ат производительностью до 100 м3 в минуту.

Компрессор является основным агрегатом наиболее современного двигателя – газовой турбины. Для проверки герметичности кабин высотных самолетов используются компрессоры низкого давления, они же используются для наполнения воздухом аварийных подъемников.

Небольшие компрессоры установлены на многих марках автомобилей для питания пневматической системы тормозов.

Выплавка чугуна в доменных печах связана с потреблением большого количества воздуха – на 1 т чугуна 4 т воздуха.

В химической промышленности компрессоры используются для синтеза аммиака, мочевины, бензина и других синтетических продуктов. Передача газа на расстояние по газопроводам осуществляется компрессорными станциями, которые устанавливаются по районам газопровода.

Компрессор является основной машиной на установках для получения кислорода и азота в газозарядных станциях.

Широко применяются компрессорные машины в холодильной промышленности для сжатия хладагентов: аммиака, фреона и т.д. Для обеспечения полетов самолетов в больших количествах применяется сжатый воздух под высоким давлением от 160 до 350 ат.

 

Назначение, принцип работы и структурная схема воздухоразделительных установок.

 

Воздухоразделительные установки подразделяются по назначению на следующие типы:

для получения газообразного кислорода под атмосферным давлением (в этих установках продукты разделения выводятся из теплообменных аппаратов под атмосферным давлением, после этого в зависимости от требований потребителя кислород может сжиматься в специальных компрессорах);

для получения газообразного кислорода под повышенным давлением (с насосом жидкого кислорода);

для получения жидкого кислорода и жидкого азота;

с получением чистого газообразного азота;

с получением сырого аргона;

с получением первичного криптонового концентрата.

Так как из продуктов разделения воздуха наиболее широкое применение находит кислород, установки в большинстве случаев строятся или только для получения кислорода, или для одновременного получения кислорода и других компонентов воздуха. В отдельных случаях создаются также специальные установки для производства жидкого или газообразного азота без получения или с получением небольших количеств кислорода.

В состав воздухоразделительной установки входит следующее оборудование: машины для сжатия воздуха – компрессоры; теплообменные аппараты для очистки воздуха от двуокиси углерода, влаги, углеводородов и других примесей; ректификационные колонны с конденсаторами-испарителями и переохладителями; машины для расширения воздуха или азота – детандеры; машины для сжатия продуктов разделения – компрессоры или насосы ожиженных газов; коммуникации, арматура и контрольно-измерительные приборы, предназначенные для регулирования нормального технологического режима, для пуска из теплого состояния и для отогрева установки, а также для обеспечения ее безопасной эксплуатации. Схема установки с дросселированием воздуха представлена на рисунке 1.

В установку может быть включено также оборудование внешних холодильных установок (аммиачных, фреоновых, холодильных газовых машин и пр.). Кроме того, для уменьшения потерь холода аппаратами и машинами, работающими при низких температурах, в установках имеются специальные устройства для их изоляции.

Отдельные типы установок могут не иметь того или иного оборудования. Так, в мелких установках часто отсутствуют специальные машины для производства холода, а холодопроизводительность обеспечивается дроссель-эффектом сжатого воздуха. В крупных воздухоразделительных установках в качестве теплообменных аппаратов применяют регенераторы или реверсивные пластинчато-ребристые теплообменники, в которых одновременно с теплообменом происходит очистка воздуха от влаги и двуокиси углерода.

 

I

II

III

IV

V

VI

VII

В

А

К

1

2

3

4

Рис. 1. Схема установки с дросселированием воздуха   I - компрессор; II - декарбонизатор; III - блок осушки; IV - теплообменник; V - аппарат двухкратной ректификации; VI - фильтр-адсорбер для очистки кубовой жидкости от следов двуокиси углерода и от ацетилена; VII- дроссельный вентиль высокого давления; В – воздух; А – азот; К – кислород.

 

 

При рассмотрении воздухоразделительной установки в ней обычно выделяют блок разделения воздуха, который включает перечисленное выше оборудование за исключением компрессоров, детандеров, насосов, аппаратов для очистки воздуха, работающих при температуре окружающей среды, а также оборудования внешних холодильных установок.

Проектирование воздухоразделительной установки начинают с составления ее принципиальной технологической схемы, на которой показаны линии нормального технологического режима установки и обозначены те машины, аппараты и вентили, в которых происходит изменение основных технологических параметров потоков. Часто для упрощения на принципиальную схему не наносят специальные аппараты для очистки воздуха, а отдельные теплообменные аппараты совмещают.

Для анализа принципиальной схемы установки целесообразно выделить в ней две части: первую, включающую ректификационные колонны, конденсаторы и переохладители, называемую разделительным аппаратом; вторую, включающую теплообменные аппараты для охлаждения воздуха и детандеры.

В первой части происходит процесс разделения на компоненты воздуха, охлажденного до низких температур, во второй – охлаждение воздуха выходящими из разделительного аппарата продуктами разделения, обеспечивается необходимая холодопроизводительность установки, а также подача продуктов под повышенным давлением с помощью насосов.

Различные требования могут предъявляться к чистоте продуктов разделения: технический кислород характеризуется содержанием 98,5–99,8 % О2 (в большинстве случаев 99,5 % О2), технологический кислород – содержание 92–98 % О2 (в большинстве случаев 95 % О2); чистый азот – содержанием 0,0001–0,05 % О2; азот промежуточной чистоты 0,1–1,0 % О2.

Очень большое, а во многих случаях решающее значение при построении схемы установки имеет производительность установки, а также соотношение между количествами получаемых продуктов, в частности между количествами чистого азота и технологического кислорода. К установке могут предъявляться и специальные требования – размещение в определенных габаритах и т.п. Схему выбирают на основании сравнения ряда вариантов, отличающихся типом разделительного аппарата, теплообменных аппаратов и холодильного цикла. Следует стремиться к обеспечению максимальной экономичности и простоты эксплуатации установки при удовлетворении всех требований, предъявляемых к ней. Известно, что уменьшение расхода энергии, как правило, связано с усложнением схемы. Простота эксплуатации имеет важное значение для мелких установок, для крупных – фактор экономичности. При построении схемы учитывают и способ очистки воздуха от примесей влаги и двуокиси углерода.

На выбор схемы большое влияние оказывает возможность создания и эффективность работы той или иной машины или аппарата. Так, например, применение холодильного цикла низкого давления зависит от возможности создания и эффективности работы турбомашин для сжатия и расширения воздуха при заданных параметрах.

Кроме указанных выше продуктов разделения, из воздуха извлекается также неоно-гелиевая смесь. Однако получение этого продукта не вносит существенного изменения в построение схемы воздухоразделительной установки в целом.

В процессе эксплуатации воздухоразделительных установок необходимо регулирование различных параметров, с тем чтобы обеспечить нормальную работу установки в целом и ее отдельных частей. Обычно регулированию в блоке разделения подлежат: холодильный баланс установки, режим работы ректификационной колонны, теплообменных аппаратов, а также расширительных машин.

 

Учебный вопрос № 4. Построение диаграммы S – Т.

 

Тепловые процессы, происходящие при охлаждении и нагревании воздуха или других газов (паров), удобно изучать, пользуясь так называемой энтропийной диаграммой, по которой можно легко находить все основные величины, характеризующие тепловое состояние вещества. Эта диаграмма называется S–Т-диаграммой, т.к. по горизонтальной ее оси отложены значения энтропии S, а по вертикали – абсолютные температуры Т.

Горизонтальные прямые на диаграмме соответствуют процессам, протекающим при постоянной температуре (изотермические). Линии, изображающие процессы на диаграмме, называют изотермами.

Вертикальные прямые на диаграмме соответствуют обратимым процессам, протекающим при неизменной энтропии (без подвода и отвода тепла – адиабатическим). Линии, изображающие процессы на диаграмме, называются адиабатами.

Кривые линии, идущие на диаграмме сверху вниз, соответствующие процессам при постоянном давлении, называют изобарами.

Кривые постоянной энтальпии (изоэнтальпии) показаны на диаграмме линиями, идущими слева направо с некоторым уклоном вниз.

Т Т2V=const 2     Т" Нагрев q Т´ Т1 Рис. 2. Изохора (V=const)

Охлаждение

q

3 4 S

 

Процесс V-const. Построение изохоры (рис. 2) можно осуществить из уравнения ΔS = (S2 – S1)V = 2,3СV lg(Т2/Т1). Задаваясь различными конечными температурами Т2 (а начальная температура Т1 предполагается известной), подсчитываем теплоемкость при постоянном объеме для данного рабочего тела СV в известном интервале температур величину lg (Т2/Т1) и определяем изменение энтропии ΔS = (S2 – S1)V. Наносим отдельные точки на S–Т диаграмму и соединяем их между собой. В результате получаем кривую изохорного процесса, которая является логарифмической кривой. Площадь 1-2-3-4 под кривой процесса представляет собой величину подведенного или отведенного тепла.

Процесс Р-const. Для построения изобары (рис. 3) пользуемся уравнением ΔS = (S2 – S1)Р = 2,3СР lg(Т2/Т1). Задаваясь, как и ранее, различными значениями температур Т2, находим теплоемкость СР при постоянном давлении и определяем отдельные точки процесса, по которым строим логарифмическую кривую.

 

Площадь 1-2-3-4 под кривой представляет собой величину подведенной теплоты при процессе расширения газа, протекающего, как известно, с ростом температуры или отведенной теплоты при процессе охлаждения газа (или выталкивании). При расширении (нагревании) ΔS увеличивается, при охлаждении (выталкивании) ΔS уменьшается.

 

Расширение

Сжатие

V=const

P=const

Δ SV

Δ SР

Т Т

 

 

Т2 2V 2Р

 

 

q

 

1 2

 

Т1 1 qT

 

 

qVqP

3 4 5 3 4 S

 

Рис. 4. Изотерма (Т=const)

Рис. 3. К построению процессов V=const

и P=const

 

Изохора располагается круче изобары, т.к. при одинаковом изменении температур для обоих процессов ΔSР >ΔSV в k раз.

ΔSР = k ΔSV

Площадь, расположенная под кривой V=const (1-2V-4-3), соответствует расходу теплоты qV = СV (Т2 -Т1).

Аналогично площадь, расположенная под кривой Р=const (1-2Р-5-3), соответствует расходу теплоты qP = СР (Т2 -Т1).

Разность этих площадей, соответствующая площади, расположенной между процессами, будет равна работе газа, совершаемой в процессе

qP -qV = СР (Т2 -Т1) - СV (Т2 -Т1)=(СР –СV) (Т2 -Т1)= АR(Т2 -Т1)=АlР.

 

 

Процесс Т-const. В этом случае наиболее простыми выражениями будут:

ΔSТ = (S2 – S1)Т = 2,3 АR lg ; ΔSТ = (S2 – S1)Т = 2,3 АR lg .

Эти выражения имеют одинаковую силу, так как .

На S-Т диаграмме изотерма представит собой горизонтальную линию, параллельную оси S. Площадь1-2-3-4 под кривой процесса соответствует количеству подведенной (при расширении) теплоты. С подводом тепла ΔS увеличивается. Значит, направление процесса слева направо отвечает расширению газа, а справа налево – сжатию (с отводом тепла).

 

 

Процесс Δq=0 (адиабатический). Из уравнения

ΔSq=0 = (S2 – S1)q=0 = 2,3СPlg(V1/V2)- 2,3СVlg(V1/V2)=2,3(СР–СV) lg(V1/V2)

Т S   Рис. 5. Адиабата (Δq=0).

отсутствует (Δq=0). При движении вверх имеет место повышение температуры, а это, в свою очередь, означает уменьшение объема, т.е. протекает процесс сжатия. При движении вниз будем иметь расширение. Интересно отметить, что графики термодинамических процессов, которые в диаграмме Р-V изображаются кривыми линиями (изотерма, адиабата), в S-Т диаграмме оказываются прямыми, и наоборот, те из них, которые представляются в Р-V диаграмме прямыми линиями (изобара, изохора), в S-Т диаграмме являются криволинейными.

следует, что S2 – S1=0; S2 = S1, т.е. обратимый адиабатный процесс суть изоэнтропийный процесс, протекающий при неизменном значении энтропии. Это значит, что в системе координат S-Т адиабата представит собой вертикальную линию (рис. 5). Площадь под линией процесса

 

S-Т диаграмма рабочих тел дает возможность, не прибегая к сложному аналитическому расчету, легко и достаточно быстро определять требуемые параметры, а также (что значительно важнее) изображать и рассчитывать процессы и циклы различных тепловых устройств.

 

Групповое занятие № 1. ПРОЦЕССЫ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО И МНОГОСТУ-ПЕНЧАТОГО СЖАТИЯ ГАЗОВ

Учебный вопрос № 1. Одноступенчатое сжатие и его предел

 

В поршневом компрессоре перемещение газа из области низкого давления в область высокого давления достигается всасыванием, сжатием и нагнетанием газа. Совокупность этих процессов, повторяющихся при каждом обороте вала, составляет цикл компрессора.

Одноступенчатое сжатие применяют при небольшом отношении конечного давления к начальному.

Цикл отдельной ступени многоступенчатого компрессора не отличается от цикла одноступенчатого компрессора, действующего в условиях тех же давлений.

Рассмотрим теоретический одноступенчатый цикл (рис. 1), представляющий упрощенную схему действительного.

При рассмотрении теоретического процесса работы поршневого компрессора допускают наличие следующих условий, практически осуществить которые трудно:

процессы всасывания и нагнетания происходят при постоянных параметрах рабочего тела (давлении и температуре), но при переменных количествах рабочего тела в цилиндре;

при движении поршня не возникает трений;

в компрессоре отсутствуют утечки рабочего тела и вредное пространство, то есть предполагается, что когда поршень приходит в крайнее левое положение, в цилиндре компрессора не остается рабочего тела;

отсутствуют потери давления в клапанах.

Теоретический процесс работы поршневого компрессора изображается в координатах Р–V диаграммой, на которой линия а–1 соответствует процессу всасывания газа при постоянном давлении, а линия 1–2 – процессу политропного сжатия, линия 2–б – процессу выталкивания газа в нагнетательный трубопровод при постоянном давлении.

Всасывание газа в цилиндр через клапан происходит в теоретическом цикле на протяжении всего хода поршня (точка 1), всасывающий клапан закрывается и начинается сжатие газа, продолжающееся до тех пор, пока давление в цилиндре не достигнет величины за нагнетательным клапаном (точка 2). При этом открывается нагнетательный клапан и начинается нагнетание (выталкивание) сжатого газа из цилиндра, которое происходит на остальной части хода поршня.

В момент второй перемены хода поршня нагнетательный клапан закрывается, давление в цилиндре падает, всасывающий клапан снова открывается. В процессах всасывания и нагнетания объем газа V в цилиндре изменяется вместе с массой газа, но удельные объемы v остаются постоянными. Вследствие этого цикл компрессора, изображаемый в координатах v–Р, не может быть представлен в координатах V–Р.

Рассматривая теоретические циклы, полагают, что процесс сжатия протекает по изотерме, адиабате или политропе. Соответственно цикл компрессора называют изотермическим, адиабатическим или политропическим.

Р

V

Р2

Р1

V2

V1

а

Lн

а – 1 – всасывание 1 – 2 – нагнетание 2 – б - выталкивание

Рис. 1.Теоретический процесс работы поршневого компрессора в V – Р диаграмме.

б

ЛМТ

ПМТ

ВМТ

НМТ

 

 

Площадь, ограниченная линиями а–1–2–б представляет работу, затрачиваемую за один оборот коленчатого вала компрессора, то есть работу нагнетания.

Величина работы, затрачиваемой на нагнетание, складывается из трех частей: работы всасывания, изображаемой площадью а–1–V1 –0; работы сжатия (площадь V1–1–2–V2) и работы выталкивания (площадь V2–2–б–0).

Работу, принимаемую газом в компрессоре, принято считать положительной, а возвращаемую газом – отрицательной.

Работа всасывания противоположна по знаку работе сжатия и выталкивания, так как она совершается самим газом, то есть, получена поршнем не от привода, а от газа, в то время как работа сжатия и выталкивания совершается поршнем за счет энергии, получаемой от привода.

Условно считают, что работа всасывания имеет отрицательный знак, работа сжатия и выталкивания – положительный. Таким образом, работа компрессора за один оборот коленчатого вала будет равна алгебраической сумме работ.

При рассмотрении теоретического процесса поршневой компрессорной машины не было учтено наличие в цилиндре мертвого пространства.

Мертвым или вредным пространством называется пространство между днищем поршня, находящегося в верхней мертвой точке, и крышкой цилиндра. Наличие мертвого пространства сокращает количество поступательного газа в цилиндр компрессора.

Регулирование линейной величины мертвого пространства производится прокладками или изменением длины штока. Замер объема мертвого пространства производится водой. Для конструктивных расчетов, а также для определения объемного коэффициента, вводится понятие основных величин в цилиндре, определяемых при движении поршня от ВМТ к НМТ и обратно.

 

V – объем цилиндра; V1 – объем на сжатие; V2 – объем на выталкивание; S – ход поршня; S1 – ход поршня на сжатие; S2 – ход поршня на выталкивание.

V

V0

V2

V1

S0

S2

S1

S

Рис. 2. Величины при движении поршня от НМТ к ВМТ.

 

V

Рис. 3. Величины при движении поршня от ВМТ к НМТ.

V0

V1

V2

S0

S1

S2

S

V – объем, описываемый поршнем; V0 – объем мертвого пространства; V1 – объем расширения газа; V2 – объем засасываемого газа; S – ход поршня; S0 – линейная величина мертвого пространства; S1 – ход поршня на расширение; S2 – ход поршня на всасывание.

Р

V

Рис. 4. Рабочий процесс компрессора с учетом мертвого пространства.

 

 

Вредное пространство в цилиндре ликвидировать нельзя, но необходимо его уменьшать до безопасного минимума.

Объем мертвого пространства можно выразить в процентах от объема, описываемого поршнем. Относительная величина мертвого пространства обозначается символом «а» и составляет для действующих компрессоров 3–10 %, а величина линейного мертвого пространства – от 0,8 до 1,5 мм.

В средних и крупных компрессорах, при радиальном расположении всасывающих и нагнетательных клапанов на боковых стенках цилиндров относительное мертвое пространство ступеней низкого давления колеблется в пределах 6–12 %, а у ступеней высокого давления – 12–18 %.

При расположении клапанов в крышках цилиндров мертвое пространство значительно меньше. Устройство комбинированных клапанов, размещенных в крышках цилиндра, может уменьшить мертвое пространство до 5 %.

При отсутствии сжатия, когда давление нагнетания равно давлению всасывания, то есть при степени сжатия, равной 1, объемный КПД тоже равен 1, hv = 1.

С увеличением степени сжатия объемный КПД уменьшается, и когда весь газ, сжатый в цилиндре до давления нагнетания, умещается в мертвом пространстве, достигает 0, hv = 0.

На индикаторной диаграмме концы линии сжатия и расширения совпадают и компрессор прекращает нагнетание, а, следовательно, и всасывание.

Значение степени сжатия, при которой это происходит, легко определить из условия

 

hv = 1 – а (ε 1/n – 1) = 0, ε = (1/а + 1)n,

 

где ε – степень сжатия;

hv – объемный КПД;

с-ср

а – относительная величина мертвого пространства;

с-сv

п – показатель политропы, п =

c – удельная теплоемкость.

 

Если принять а = 0,1, а показатель политропы конечных параметров в процессе расширения положить равными 1; 1,2; 1,4, то предельное значение степени сжатия, при которых прекращается подача газа, равны соответственно 11; 17,8; 28,7.

Предел сжатия в одной ступени наглядно виден при изображении сжатия в координатах Р – V.

Р

V

2¢

2¢¢

2¢¢¢

3¢¢

3¢

4 4¢ 4¢¢

а = 0,1 n = 1; 1,2; 1,4 ε = 11; 17,8; 28,7 hv = 0

Рис. 5. Процесс сжатия в координатах Р – V.

 

Из графика видно, что предел нагнетания наступает тогда, когда линия процесса сжатия и процесса расширения газа, оставшегося в мертвом пространстве, совпадают. Это указывает на то, что при расширении газа, оставшегося в мертвом пространстве, его давление становится равным атмосферному при переходе поршня в нижнюю мертвую точку, то есть процесса всасывания новой порции газа цилиндром компрессора не происходит.

При движении поршня к верхней мертвой точке данный газ сжимается и весь помещается в объеме мертвого пространства, то есть процесса выталкивания газа из цилиндра компрессора не происходит. Таким образом, происходит сжатие и расширение одной и той же порции газа, объемный КПД hv = 0.

Сжатие в компрессоре допускается до определенной температуры, которая должна быть на 60° ниже температуры самовоспламенения смазочного материала.

 

Учебный вопрос № 2. Многоступенчатое сжатие.

 

В тех случаях, когда технология производства требует высоких давлений, необходимо перейти на многоступенчатое сжатие, заключающееся в том, что сжатый до допустимой температуры газ выходит из первой ступени (цилиндра) компрессора и направляется в холодильник. Затем охлажденный, но сжатый газ направляется во вторую ступень компрессора, где происходит дальнейшее сжатие его опять-таки до допустимой температуры.

После этого газ из второй ступени направляется в холодильник второй ступени. Там он снова при более высоком давлении охлаждается и поступает в третью ступень и так далее до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое технологией производства давление при допустимых температурах.

Степенью сжатия называется отношение давления нагнетания к давлению всасывания на данной ступени в абсолютных атмосферах:

ε =

Рнагн

Рвсас

(ата)

 

Давление по ступеням компрессора измеряется манометрами, которые показывают избыточное давление. При величине степени сжатия равной четырем, давление по манометрам должно распределяться так:

1 ст. – 3 ат; 2 ст. – 15 ат; 3 ст. – 60 ат; 4 ст. – 200 ат.

Процесс сжатия в многоступенчатом компрессоре будет наиболее экономичным в том случае, когда степени сжатия во всех ступенях равны:

Р1

Р0

=

=

=

=

ε

Р2

Р1

Р3

Р2

Рz

Рz-1

…….

 

Потери давления между ступенями учитываются специальным коэффициентом ψ = 1,1÷1,15.

Тогда формула для определения степени сжатия многоступенчатого компрессора примет следующий вид:

 

ε = ψ ∙

 

Из этого уравнения можно определить действительное число ступеней компрессора. Практически для многоступенчатых компрессоров допустимыми степенями сжатия следует считать ε = 2,5÷3,5.

Одноступенчатое сжатие и нагнетание газа применяется практически при давлениях до 6 кгс/см2. При давлениях выше указанного в цилиндрах одноступенчатых компрессоров имеют место следующие существенные недостатки:

высокие температуры, нарушающие нормальный режим работы;

возрастание удельного расхода энергии на сжатие газа;

возрастание влияния вредного пространства;

чрезмерное возрастание поршневых усилий.

Все эти недостатки могут быть устранены при многоступенчатом сжатии. В зависимости от величины конечного давления газа могут применяться компрессоры двух-, трех- и т.д. ступеней.

Все многоступенчатые компрессоры имеют следующие общие особенности:

объемы цилиндров вышестоящих ступеней меньше нижестоящих примерно во столько раз, во сколько давление вышестоящей ступени больше нижестоящей;

на первой ступени обычно ставят два цилиндра, чтобы не делать слишком громоздким один;

перепад давлений распределяется равномерно по ступеням и не должен быть больше четырех;

давление всасывания и нагнетания должны поддерживаться по ступеням, близким друг к другу;

после каждой ступени устанавливаются холодильники и влагомаслоотделители.

Недостатками являются сложность конструкции и уменьшение механического КПД. Число ступеней более 8 экономически не выгодно.

1 – фильтр; 2–5–8 – цилиндры компрессора; 3–6–9 – холодильники; 4–7–10 – водомаслоотделители   Рис. 6. Принципиальная схема многоступенчатого сжатия.

 

 

Назначение холодильника состоит в том, чтобы снизить температуру газа после сжатия его в цилиндрах до температуры всасывания и сконденсировать влагу, чем обеспечивается нормальный процесс сжатия при высоких давлениях.

Кроме того, охлаждение газа в холодильнике после последней ступени дает возможность получить запас холода, который в воздухоразделительной установке проявляется в процессах дросселирования через расширительные вентили и при расширении в цилиндре детандера.

Получение холода, можно считать, является основной целью работы компрессора на воздухоразделительной установке.

Преимуществами многоступенчатого сжатия являются:

Экономия работы.

Снижение температуры нагнетания.

Уменьшение поршневых сил. В одноступенчатом компрессоре высокое конечное давление создает большую поршневую силу. В многоступенчатом компрессоре это давление действует на поршень меньшей площади, и поршневая сила, даже в сумме с силами, возникающими на остальных ступенях, значительно меньше, чем в первом случае.

Уменьшение объемного коэффициента. С ростом отношения давлений увеличивается объем, занимаемый расширившимся из мертвого пространства газом, что ухудшает наполнение цилиндра.

К недостаткам многоступенчатого сжатия следует отнести:

Сложность конструкции компрессора.

Увеличение потерь энергии на механическое трение движущихся частей компрессора, то есть уменьшение механического КПД.

Поэтому компрессоры с числом ступеней более пяти экономически не выгодны.

 

 

Тема № 2. ОЧИСТКА И ОСУШКА ВОЗДУХА.

Лекция №1. Очистка и осушка воздуха

Учебный вопрос № 1. Необходимость очистки и осушки воздуха

 

Очистка сжатого воздуха от загрязнений

Одним из основных средств повышения надежности и долговечности пневматических систем управления является оптимальная подготовка сжатого воздуха, включающая очистку его от загрязнений. Актуальность и важность очистки очисткиобуславлявается тем, что загрязнения сжатого воздуха снижают долговечность пневматических устройств и систем в 3-7 раз, а в некоторых условиях эксплуатации до 20 раз, выход из строя по этой причине составляет до 80 % от общего числа отказов.

Компоненты загрязнений можно разделить на три группы: вода и компрессорное масло в жидкой и паровой фазе; твердые загрязнения; газообразные загрязнения.

Вода. Наибольшую часть загрязнений составляет вода, которая попадает в пневматическую систему вместе с атмосферным воздухом, засасываемым компрессором.

Масла. Источниками загрязнения сжатого воздуха маслами могут являться смазка компрессоров и пневматических устройств, масляные фильтры на линии всасывания компрессоров, пары и распыленное масло в окружающем воздухе.

Твердые загрязнения. До 80-95 % всех атмосферных загрязнений в городских и промышленных районах составляют продукты неполного сгорания топлива и пыль. Атмосферная пыль содержит примерно 70 % кварцевого песка, 15-17 % окиси алюминия, 3-5 % окиси железа, 2-4 % окиси кальция, 0,5-1,5 % окиси магния и др.

При работе компрессоров происходит износ поршневых колец, гильз, лопаток, клапанов, частицы которых вместе с атмосферными загрязнениями и продуктами разложения компрессорного масла (нагаром, золой и другими компонентами) попадают с воздухом в пневмосистему.

Основное количество твердых загрязнений вносится при передаче сжатого воздуха по воздухопроводам и соединениям. Эти загрязнения на 95-98 % состоят из ржавчины и окалины.

Источниками загрязнения сжатого воздуха твердыми частицами могут быть устройства осушки из-за разрушения зерен адсорбентов в процессе работы.

Газообразные загрязнения. Газообразные загрязнения попадают в систему вместе с атмосферным воздухом. Основную часть газообразных загрязнений составляют: дымовые газы от сжигания топлива; газы, образующиеся при химических процессах; пары кислот и щелочей; растворители и т.д.

Наиболее часто в сжатом воздухе содержится сернистый газ SО2 и окись углерода СО. Сернистый газ при соединении со сконденсировавшейся в пневматической системе водой образует разбавленную кислоту H2SO4 и сернистый ангидрид Н2S.

Анализ данных эксплуатации и проведенные исследования свидетельствуют о том, что загрязнения сжатого воздуха значительно снижают надёжность и долговечность пневматических систем, приводят к нарушению технологических процессов. Из-за воздействия загрязнений сжатого воздуха износ пневматических устройств увеличивается в 2-7 раз, а выход устройств из строя по той же причине составляет до 80 % от общего числа отказов.

Воздействие загрязнений на пневматические системы и устройства можно разделить на физическое, химическое и электролитическое.

Физическое воздействие загрязнений заключается в закупорке отверстий и сопел влагой, льдом и твердыми частицами, в смывании смазки, в повреждении рабочих поверхностей клапанных пар, мембран, золотников, в износе и заклинивании трущихся деталей и т.д.

Износ трущихся поверхностей происходит под влиянием абразивных сред и из-за недостаточной смазки.

Абразивные среды образуются при смешении водо-масляной эмульсии с твердыми частицами. Интенсивность износа пневматических устройств тем выше, чем выше твердость частиц загрязнений. Износ неподвижных деталей и сопел может происходить, кроме того, вследствие эрозии, возникающей при высокой скорости потока загрязненного сжатого воздуха.

Химическое воздействие загрязнений проявляется в коррозии металлических деталей, разрушении покрытий и резиновых деталей растворами кислот, щелочей и других химически активных компонентов. Загрязнение сжатого воздуха двуокисью серы SО2 вызывает значительную коррозию стальных и медных деталей и трубопроводов пневмосистем.

Электролитическому воздействию загрязнений подверженыпневмоустройства с контактирующими деталями из разных материалов и покрытий. В этом случае кислотные и щелочные растворы являются электролитом, а детали – электродами; в результате происходит разрушение их поврехностей, даже если они выполнены из легированных сталей, латуни или бронзы.

 

Осушка воздуха

Содержащиеся в воздухе или газе водяные пары, попадая в теплообменные аппараты, трубопроводы и арматуру криогенных установок, блоков разделения воздуха, превращаются в лед и забивают аппаратуру. Количество влаги, содержащейся в воздухе или газе, зависит от температуры, давления и относительной влажности.

Относительной влажностью φ называют отношение количества водяных паров, содержащихся в воздухе или газе, к количеству паров, насыщающих воздух или газ при данной температуре. Количество водяных паров в граммах, содержащихся в 1 м3 воздуха или газа при данной температуре, называют абсолютной влажностью.

Точка росы – температура, при которой в воздухе или газе начинает конденсироваться влага.

С повышением температуры количество водяных паров, насыщенных воздух, увеличивается, а с понижением – уменьшается. При 298˚К в 1 м3 воздуха содержится, например, 15 г водяных паров. Наибольшее количество влаги, которое может содержаться в 1 м3 воздуха при этой температуре, равно 22,9 г. При 298˚К относительная влажность φ = 15/22,9 ∙100 = 65,5 %. Если этот влажный воздух охладить до 293˚К, то его относительная влажность возрастает: φ = 15/17,2 ∙100 = 87 %. Таким образом, охлаждение ненасыщенного влажного воздуха приводит к увеличению относительной влажности.

При охлаждении сжатого воздуха в теплообменниках воздухоразделительного аппарата ниже точки росы из него выделяется влага и замерзает при температуре ≈ 273 К. Это приводит к быстрой закупорке льдом теплообменников, и работа установки становится невозможной. Поэтому воздух перед подачей в аппараты подвергают осушке.

 

Методы осушки

В воздухоразделительных установках, работающих по циклу низ­кого давления, осушку воздуха осуществляют в регенераторах. В ус­тановках, работающих по циклам высокого и среднего давления, применяют следующие методы осушки воздуха и газов: вымораживание влаги в блоках предварительного аммиачного охлаждения или в попеременно работающих теплообменниках (вымораживателях); адсорбцию влаги силикагелем, активным глиноземом, цеолитами в блоках осушки и очи­стки воздуха.

Эффективность осушки определяют по точке росы осушенного воз­духа или газа.

Вымораживание влаги.

При понижении температуры воздуха количество водяных паров в нем резко уменьшается. При сильном охлаждении воздуха или газа можно полностью удалить из него влагу. Воздух или газ при осушке вымо­раживанием (рис.58 ) пропускают через систему теплообменников, охлаждаемых обратным потоком (например, азотом и аммиаком). Холод обратного потока используют для предварительного охлаждения воздуха до поступления его в аммиачный теплообменник.

В предварительном теплообменнике АТ1 воздух охлаждается об­ратным потоком до температуры 275...278К. Этот теплообменик называ­ют ожижителем, так как в нем при охлаждении от 303 до 278К конден­сируется значительная часть водяных паров. Выделившаяся влага от­деляется во влагоотделителе и удаляется через продувочный вентиль. Далее воздух поступает в аммиачный теплообменник АТ2, в котором охлаждается до температуры 228К.

Аммиачные теплообменники выполняют в виде вертикального кожухотрубного аппарата. Воздух и жидкий аммиак поступают в нижнюю часть аппарата и выходят сверху. Вследствие большой высоты тепло­обменника в нижней части аммиак находится под несколько большим давлением (гидростатический столб жидкости) и имеет несколько бо­лее высокую температуру, чем в верхней части. Поэтому одинаковое направление воздуха и паров аммиака обеспечивает получение более низкой температуры воздуха при выходе из теплообменника. Конструк­тивно аммиачный теплообменник состоит из пучка цельнотянутых стальных труб, развальцованных в стальных решетках и заключенных в кожух. Воздух движется в межтрубном пространстве снизу вверх, а жидкий аммиак, кипящий под давлением ниже атмосферного и имеющий температуру кипения 223К, в трубках в том же направлении. Корпус изготовляют из углеродистой стали.

 

Рис. 1. Принципиальная схема осушки воздуха вымораживанием

 

Для непрерывной работы устанавливают два теплообменника. Влага, содержащаяся в воздухе, вымораживается в виде льда на трубках; воздух направляют в один из теплообменников, в то время как другой ставят на оттаивание, которое производится горячими парами аммиака, отбираемыми с нагнетания аммиачного компрессора. В процессе отогрева одного из теплообменников лед тает, и влага удаляется продувкой.

В некоторых установках высокого давления вместо аммиачных теплообменников применяют теплообменники-вымораживатели, в которых воздух охлаждается до 228 К...223 К. В этом случае для вымораживания влаги расходуется некоторое количество холода и, следовательно, затрачивается некоторое дополнительное количество энергии, но это компенсируется значительным упрощением оборудования. Отпадает необходимость в аммиачной холодильной установке с компрессором, конденсатором, ам­миачными теплообменниками, а также в обслуживающем персонале и дополнительных сооружениях.

Недостаток метода осушки воздуха вымораживания состоит в следующем. Влага воздуха, прошедшего аммиачный теплообменник или теплообменник-вымораживатель, за короткий промежуток времени накапливается в виде льда в основном теплообменнике АТЗ и забивает его. Поэтому приходится через каждые 30...40 суток ставить основной теплообменник на отогрев для удаления влаги. Неудобство системы вымораживателей состоит также в том, что большое количество переключающей арматуры усложняет конструкцию и обслуживание установки, поэтому применяют этот метод ограниченно.

Осушка с помощью адсорбентов

Адсорбционный метод осушки воздуха или других газов основан на свойстве ряда пористых твердых тел-адсорбентов - поглощать водяные пары. Адсорбенты характеризуются широко развитой внутренней поверхностью, порядка сотен квадратных метров на один грамм.

Адсорбция происходит следующим образом. Приближаясь к поверхности адсорбента на расстояние, соизмеримое с атомными размерами (~ 10-8см), молекула водяного пара попадает в электрическое поле поверхностных ионов адсорбента к поляризуется. Поляризованные молекулы водяного пара, удерживаемые поверхностными ионами адсорбента, и составляют адсорбционный слой водяного пара. Количество адсорбируемого водяного пара зависит от количества поверхностных ионов, способных своим электрическим полем удерживать вблизи себя молекулы водяного пара. Процесс адсорбции протекает экзотермически. Выделяющаяся теплота адсорбции снижает эффективность осушки. При осушке воздуха высокого давления теплота адсорбции незначительна, так как газ содержит мало влаги, и поэтому теплота в достаточной степени отводится самим осушаемым газом, При осушке воздуха и газов низкого давления, содержащих большее количество водяных паров, выделяется значительно больше теплоты и адсорбент приходится дополнительно охлаждать, Наличие в осушаемом воздухе или газе капельной влаги и масла снижает активность адсорбента.

При прохождении воздуха слои адсорбента насыщаются влагой. Слой адсорбента, после которого воздух выходит осушенный, называют высотой работающего слоя. В процессе адсорбции высота работающего слоя постепенно увеличивается и в какой-то момент времени достигает полной высоты засыпанного в адсорбер адсорбента. После этого воздух начнет выходить из адсорбера не полностью осушенным. Время от начала адсорбции до начала роста концентрации водяного пара в осушенном воздухе называют временем защитного действия. Адсорбировать влагу на одном и том же адсорбенте можно только в пределах времени защитного действия. Для восстановления осушающей способность насыщенного влагой адсорбента его регенерируют нагретым в электроподогревателе азотом или воздухом.

Для повышения адсорбционной способности адсорбента необходимо понижать его температуру и наоборот - для удаления адсорбированной пленки водяных паров с поверхности адсорбента необходимо повышать его температуру. В кислородном и криогенном производствах в качестве адсорбентов используют силикагель, активный глинозем, активную окись алюминия, цеолиты.

Силикагель представляет собой твердое, стекловидное, химически инертное, однородное вещество, состоящее на 99% из двуокиси кремния SiO2. Его выпускают в виде крупных или мелких (З...7мм) зерен белого или светло-желтого цвета круглой или неправильной формы.

Активированный глинозем содержит 92% окиси алюминия, остальное - различные примеси; химически инертен, не ядовит, не растворяется в воде. Его выпускают в виде непрозрачных зерен неправильной формы белого или светло-серого цвета размером 3...7 мм. Он должен погло­щать не менее 14 массовых долей влаги от общей массы адсорбента. Активный глинозем получают обезвоживанием (путем герметической активации) тригидрата окиси алюминия, как и силикагель, он имеет тонкую пористую структуру.

Активная окись алюминия (алюмогель) - химически инертное вещество, не растворяющееся в воде, достаточно прочное и устойчивое к испарению. По составу она аналогична активному глинозему, но имеет меньше примесей, поэтому имеет более высокую стоимость. Активную окись алюминия получают дегидрациейтригидрата окиси алюминия при его термической обработке.

Цеолиты - наиболее эффективные адсорбенты. Их иногда называют молекулярными ситами. Цеолиты - это алюмосиликаты щелочного или щелочноземельного металла. Как адсорбенты цеолиты бывают природные и синтетические. Пористую структуру и очень хорошие адсорбирующие свойства они приобретают после обезвоживания. Так как обезвоживание цеолитов не приводит к изменению кристаллической решетки, то после удаления кристаллизационной воды в цеолитах получаются чрезвычайно тонкие, одинаковые по размерам поры, и пропускают они в свои полости (адсорбируют) только те газы, молекулы которых имеют диаметры, меньше диаметра пор.

Схема, блока адсорбционной осушки приведена на рис.59. Сжатый в компрессоре КМ воздух проходит влагоотделитель С и поступает в один из попеременно работающих адсорберов АД1 или АД2, где осушается. Затем воздух очищается от пыли адсорбента в фильтре Ф и направляется в блок разделения. После насыщения адсорбента парами воды осушаемый поток воздуха направляют в чистый адсорбер. Насыщенный влагой адсорбент ставят на регенерацию для восстановления адсорбционной способности. При регенерации через адсорбер пропускают сухой нагретый в электроподогревателе АТ азот, который выбрасывают затем в атмосферу, Таким образом, в целях непрерывности осушки воздуха в блоке осушки предусмотрено два адсорбера. Когда в одном из баллонов происходит поглощение влаги, в другом идет регенерация и охлаждение адсорбента.

Если в качестве адсорбента применяют силикагель, то азот нагревают в электроподогревателе до 443...453К, а если активный глинозем или алюмогель, то до 523...553К. Окончание регенерации определяют по температуре азота на выходе из адсорбера. В процессе регенерации температура влажного азота на выходе из адсорбере равна 313...323К, так как процесс адсорбции происходит с поглощением тепла. По окончании десорбции температура азота начинает быстро возрастать и при достижении 353...363К регенерацию адсорбента прекращают, т.е. выключают электроподогреватель. После отключения электроподогревателя температура выходящего газа (азота) еще некоторое время повышается в результате переноса теплоты от первых слоев адсорбента к последним, а затем начинает снижаться. Время до переключения адсорберов используют для охлаждения азотом адсорбера и адсорбента до первоначальной температуры. Десорбция и охлаждение обеспечивают регенерацию адсорбента - возвращение его к состоянию, которое он имел перед началом адсорбции.

Для контроля и регулирования температуры служат контактные термометры, автоматически отключающие подогреватель при превышении заданной температуры и включающие его при снижении заданной температуры. Для отключения подогревателя в случае снижения расхода азота ниже установленного предела служит реле расхода.

 

Учебный вопрос № 2. Способы очистки воздуха

 

В криогенных системах для очистки сжатого воздуха применяются силовые поля, фильтрация и осушка. В схемах и устройствах очистки могут последовательно применяться несколько способов очистки. Область применения этих способов и их эффективность для очистки воздуха определяются характеристиками очистных устройств, реализованных на указанных способах. Поэтому перед подробным рассмотрением основных способов очистки воздуха здесь приводятся основные понятия о важнейших параметрах очистных устройств.

Из-за сложности определения действительного значения дисперсного состава загрязнений в сжатом воздухе возникает необходимость выражать эффективность очистки косвенными параметрами:

для устройств очистки с применением силовых полей – минимальным диаметром задерживаемых частиц;

для устройств очистки фильтрующего типа – номинальной и абсолютной тонкостями фильтрации.

Для устройств осушки эффективность очистки определяется точкой росы сжатого воздуха на выходе.

Гидравлическое сопротивление. Этот параметр характеризует величину энергетических потерь в устройствах очистки. Обычно гидравлическое сопротивление (потери давления) указывается в миллиметрах водного столба или килограмм-силе на квадратные сантиметры при номинальном значении расхода сжатого воздуха через устройства.

Расходная характеристика. В технических данных часто указывают пропускную способность или номинальный расход воздуха при наибольшем рекомендуемом перепаде давления или при наибольшей скорости воздуха, устанавливаемой исходя из условия обеспечения параметра эффективности очистки.

Срок службы. Для устройств очистки этот параметр связан с продолжительностью работы до замены или регенерации фильтроэлементов, электродов или адсорбентов.

Очистка воздуха путем фильтрации. Процесс очистки сжатого воздуха от загрязнений благодаря их взаимодействию с элементами пористой перегородки называется фильтрацией.

Фильтрующие материалы (пористые перегородки) условно разделяют на два вида: поверхностные (частицы удерживаются поверхностью фильтрующего материала) и объемные (частицы удерживаются не только на поверхности, но и в толще фильтрующего материала).

К поверхностным фильтрующим материалам относятся сетки, бумага, ткани, к объемным – картон, металлокерамика, керамика, войлок и т.д., а также пакеты, состоящие из нескольких слоев поверхностных фильтрующих материалов.

Наибольшее применение для очистки сжатого воздуха пневматических систем получили металлокерамические и волокнистые фильтрующие материалы.

Инерционный способ очистки. Очистка сжатого воздуха с использованием инерционных сил производится в центробежных, аэродинамических устройствах и с ударом воздуха о перегородку.

 

 

 

Рис. 1. Принципиальные схемы инерционных очистителей:

а – центробежного; б – аэродинамического; в – с ударом воздуха о перегородку.

 

Наибольшее применение получили центробежные отделители, в которых загрязнения выходят из потока, совершающего круговое (спиральное) движение, под действием центробежных сил. Благодаря характеру движения потока воздуха большая группа устройств этого типа получила название циклонных очистителей.

Гравитационный способ очистки. Очистка сжатого воздуха с использованием гравитационных сил производится в воздухосборниках, отстойниках и специальных устройствах (рис. 2).

Кроме того, гравитационные силы используются для отвода влаги и твердых частиц из рабочей зоны инерционных, фильтрующих и других устройств.

Хотя очистители этого типа могут обеспечить достаточно высокую степень очистки сжатого воздуха от твердых частиц и жидкой влаги, их промышленное применение в качестве очистных устройств ограничено из-за больших габаритов и жестких требований к конструкции, которая должна исключать возможность завихрения и неравномерность скорости потока.

 

 

Рис. 2. Гравитационная пылеулавливающая камера

 

Электростатический способ очистки. Очистка в электрических устройствах основана на использовании сил электрического притяжения. Поток воздуха поступает в поле постоянного тока высокого напряжения с симметрично расположенными электродами, где отрицательно заряженные твердые частицы и влага притягиваются к положительному электроду с большой поверхностью, а частицы с положительным зарядом собираются на отрицательном электроде (рис. 3).

 

 

 

Рис. 3. Принципиальная схема электростатического очистителя

 

Несмотря на ряд преимуществ электростатического способа очистки (высокая эффективность, малое гидравлическое сопротивление, высокая термостойкость и т.д.), последний получил ограниченное применение в промышленности из-за высокой первоначальной и эксплуатационной стоимости устройств, а также из-за снижения эффективности очистки при загрязнениях с высоким удельным электрическим сопротивлением. Вместе с тем следует отметить, что высокая эффективность очистки воздуха от газообразных загрязнений и паров делает эти устройства незаменимыми в ряде производств.

Осушка сжатого воздуха. Очистка воздуха от паров воды и масла (осушка) производится при помощи охлаждения с последующим удалением конденсата или поглощением его различными веществами (абсорбция и адсорбция).

Конденсация. При охлаждении воздух становится насыщенным, и часть влаги, равная разности между действительным содержанием ее в воздухе и содержанием, соответствующим насыщению воздуха при данной температуре, выпадает в виде жидкости.

Охлаждение воздуха производится в трубчатых холодильниках с использованием в качестве охладителя воды или специальных холодильных установок. Трубчатые холодильники применяются в основном на компрессорных станциях в сочетании с концевыми влагомаслоотделителями, устанавливаемыми за ними. Степень осушки в трубчатых холодильниках зависит от температуры охлаждающей воды. Обычно в холодильниках этого типа температура сжатого воздуха на выходе на 10ºС выше температуры охлаждающей воды. Так, для охлаждения воздуха до 18-20ºС необходимо подавать в холодильник воду с температурой не выше 10ºС, что в летнее время можно обеспечить только подачей воды из артезианской скважины. Обычно температуры сжатого воздуха на выходе из трубчатых холодильников летом составляет 30-50ºС.

Для обеспечения более эффективного охлаждения сжатого воздуха применяют холодильные установки с использованием для охлаждения в них аммиака, фреона-12, хлорметила, углекислоты и др.

Абсорбция. Метод состоит в пропускании сжатого воздуха через вещества, способные поглощать влагу всем объемом. Большинство абсорбентов химически взаимодействует с водяным паром, некоторые при этом меняют свою консистенцию, разжижаются.

Жидкие абсорбенты впрыскивают в поток газа или газ пропускают через заполненные колонки, в которых абсорбирующая (безводный сульфат кальция, перхлорат магния) не изменяет своего агрегатного состояния, другие (хлорид кальция, гидраты окисей щелочей) разжижаются. В связи с тем, что некоторые абсорбенты вообще не восстанавливаются и непригодны для повторного использования, а для восстановления остальных требуется специальная технология, промышленное применение абсорбентов для осушки сжатого воздуха ограничено. Имеются данные о применении за рубежом устройств с абсорбентом, которые удобны и просты в эксплуатации, так как для ухода за ними требуются только периодическая добавка абсорбента и надежный дренаж.

В отечественной практике абсорбция применяется редко, преимущественно для осушки небольших объемов сжатого воздуха или газов в лабораторных условиях.

Адсорбция. Более широкое применение в промышленности получил метод адсорбции, так как используемые при этом поглотители (адсорбенты) не вступают в химическую реакцию с влагой и после насыщения легко восстанавливают адсорбирующие свойства путем нагревания до температуры 150-250ºС или продувки осушенным воздухом.

 

Групповое занятия №2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами

Учебный вопрос № 1. Характеристики адсорбентов

 

Адсорбцией называют концентрирование веществ на поверх­ности или в объеме микропор твердого тела. В процессе адсорб­ции участвуют, как минимум, два компонента. Твердое вещество, на поверхности или в объеме пор которого происходит концентрирование поглощаемого вещества, называется адсорбентом. Поглощаемое вещество, находящееся в газовой или жидкой фазе, назы­вается адсорбтивом, а после того как оно перешло в адсорбиро­ванное состояние — адсорбатом. Любое твердое вещество обладает поверхностью и, следовательно, потенциально является адсорбентом. Однако в технике используют твердые адсорбенты с сильной внутренней поверхностью. Развитие внутренней поверхности в твердом теле достигается путем создания специальных условий в процессе его синтеза или в результате дополнительной обработки.

Большинство промышленных адсорбентов отличается «ажурной» внутренней структурой, состоящей из пор различного размерa. При этом решающее влияние на адсорбционную способность и скорость поглощения оказывает содержание мелких пор в единице объема или массы адсорбента. В зависимости от размера поры подразделяются на три типа: микро-, переходные и макропоры. Иногда переходные поры называют мезопорами.

Все адсорбенты в соответствии с преобладающим размером пор подразделяют на три предельных структурных класса: макропористые, переходнопористые и микропористые. Подавляющее большинство промышленных адсорбентов, применяемых для очистки газов и рекуперации паров (активные угли, силикагели), держат широкую гамму пор различного размера.

Активный уголь — единственный гидрофобный из промышленных адсорбентов, и это качество предопределило широкое использование его для рекуперации паров, очистки газов и сточных вод.

По размеру и форме частиц активные угли подразделяют на гранулированные и порошкообразные. Гранулированные угли изготавливаются обычно в форме цилиндриков диаметром от 5 мм, причем высота цилиндрика всегда больше диаметра. Гранулированные угли применяются главным образом на установках со стационарным слоем адсорбента при очистке и разделении технологических потоков. Порошкообразные угли состоят из частиц величиной менее 0,15 мм. Их используют исключительно для очистки веществ в жидкой фазе контактным способом, например для очистки сточных вод.

Основные показатели активных углей приведены ниже:

Плотность гравиметрическая, г/см3

гранул 0,3-0,6

порошка 0,2-0,4

кажущаяся гранул 0,6-0,9

истинная 1,9-2,1

Теплоемкость сухого угля

кДж/(кг К) 0,84

ккал/(кГ °С) 0,2

Теплопроводность (при 30 °С)

Вт/(м-К) 0,17—0,28

ккал/(м ч °С) 0,15—0,24

В зависимости от назначения угли подразделяются на газовые и осветляющие, отличающиеся характерной структурой пор.

Газовые угли — микропористые, они предназначены для улавливания относительно плохо сорбирующихся компонентов (например, этилена) или паров, присутствующих в газах в небольшой концентрации. Кроме того, этот сорт углей может быть применен и для глубокой очистки воды от примесей веществ с небольшим размером молекул, например фенолов. В отечественной промышленности широко используются газовые угли типа СКТ. Они обладают большим объемом микропор (0,45—0,60 см3/г) и умеренно развитой переходной пористостью, обеспечивающей интенсивность.

Осветляющие угли предназначены для поглощения относительно крупных молекул или микросуспензий из жидких сред. Они отличаются развитой переходной пористостью, удельная поверхность переходных пор составляет в среднем 150 м2/г.

Адсорбционная способность слоя адсорбента ад характеризует количество вещества, поглощенного до момента «проскока» и отнесенное к массе загрузок всего адсорбера. Отношение динамической адсорбционной способности слоя к равновесной ад­сорбционной способности адсорбента называют степенью использования ад­сорбционной емкости слоя a.. Следо­вательно

a = ад/ар

С другой стороны, a определяется соотношением высоты слоя адсорбента L и высоты работающего слоя Lр:

a = (L-jLр)/L

При проектировании рекуперационных установок следует стремиться размеры адсорбера подбирать таким образом, чтобы величина a была не ме­нее 0,8.

Между временем защитного действия слоя (временем до «проскока» поглощаемого ве­щества) tпp и длиной адсорбера обычно существует строгая за­висимость, определяемая формулой Шилова:

tпр = kL-t0

где k - коэффициент защитного действия, показывающий, сколько времени за­держивает 1 см слоя адсорбента в условиях стационарного режима поглощае­мое вещество;

t0 – потеря времени защитного действия, связанная с начальным периодом формирования кривой распределения адсорбата.

Коэффициент защитного действия является обратной величиной скорости движения адсорбционной волны:

k = l/U

Величину работающего слоя Lр часто определяют по выходной кривой, отражающей нарастание концентрации примеси за слоем адсорбента во времени. Для этого используют формулу Майклса и Требла:

 

где ∆t - разность времени между появлением максимальной (равновесной) и проскоковой концентраций за сдоем;

tp - время появления максимальной концентрации;

j - фактор симметричности выходных кривых, связанный с недонасыщением концевого слоя адсорбера в стадии рекуперации.

Отрицательной особенностью активного угля как адсорбента является его горючесть. В воздушной атмосфере окисление углей начинается при температурах выше 250°С. Однако известны слу­чаи пожаров на углеабсорбционных установках при более низких температурах.. Загорание пирофор­ных соединений происходит при относительно низких температу­рах, и в слое они являются очагами воспламенения всей массы угля. Чтобы уменьшить пожароопасность, к углю при его изготов­лении иногда добавляют до 5% силикагеля. Такой адсорбент называют силикарбоном.

 

Учебный вопрос № 2. Комплексная очистка и осушка воздуха синтетическими цеолитами

 

В современных воздухоразделительных установках, работающих по циклам высокого и среднего давления, для комплексной очистки перерабатываемого воздуха от паров воды двуокиси углерода, ацетилена и других углеводородов используют цеолиты.

В блоке комплексной очистки имеются два переключаемых адсорбера, заполненных синтетическим цеолитом NaX. Применение блоков комплексной очистки снижает эксплуатационные расходы и упрощает схемы воздухоразделительных установок, так как из схем исключают блок щелочной очистки, блоки осушки воздуха и адсорберы ацетилена. Это позволяет сократить производственную площадь, занимаемую установкой, увеличить время работы установки до капитального ремонта, снизить удельный расход энергии, повысить надежность и безопасность работы установки.

В целях повышения эффективности работы блока комплексной очистки воздух перед поступлением в адсорбер предварительно охлаждают в теплообменнике-ожижителе до температуры 278 К и пропускают через вла-гоотделитель. В блок очистки помимо двух адсорберов входят фильтр, электроподогреватель, газодувка, контрольно-измерительные приборы и автоматика, арматура, кожух, изоляция. Схема компоновки этого оборудования аналогична схеме блока адсорбционной осушки воздуха. Сжатый в компрессоре до необходимого давления и предварительно охлажденный воздух поступает в один из попеременно работающих адсорберов блока очистки для осушки от влаги и очистки от двуокиси углерода и углеводородов; затем воздух очищается от пыли и направляется в блок разделения.

Поглощающая способность цеолитов зависит от адсорбируемого газа; она наименьшая для СО2. Поэтому длительность цикла очистки воздуха и размеры адсорберов при использовании цеолитов определяются степенью очистки воздуха от двуокиси углерода. После насыщения адсорбционную способность цеолитов необходимо восстановить, т.е. провести их регенерацию, заключающуюся в прогреве адсорбента сухим азотом. Регенерацию адсорбента проводят противопотоком.

В целях экономии расхода чистого азота для регенерации цеолитов азот из блока, разделения воздуха поступает в циркуляционный контур на всасывание газодувки, сжимается в ней до 0,17МПа и нагретый в электроподогревателе до 653...673К направляется на десорбцию цеолита во второй адсорбер. Из регенерирующего адсорбера азот поступает в водяной холодильник и затем возвращается в газодувку. Удаление двуокиси углерода и влаги из системы циркуляции производят путем сброса в атмосферу 30% адсорбирующего азота с одновременной подпиткой циркуляционного контура таким же количеством сухого чистого азота из блока разделения. Десорбция адсорбента заканчивается при достижении температуры на выходе из адсорбера 536К. Затем электроподогреватель отключается, и адсорбент охлаждается этим же азотом. При охлаждении адсорбента азот из системы в атмосферу не сбрасывается, а после газодувки он охлаждается во втором холодильнике. Процессы адсорбции, десорбции и охлаждения, переключение арматуры, включение и отключение электроподогревателя производятся автоматически по заданной программе.

Параметры воздуха, прошедшего комплексную очистку, следующие: содержание влаги соответствует точке росы 203К, двуокиси углерода не более 3∙10-4 % в перерабатываемом воздухе, ацетилена и углеводородов не более 3,6∙10-4 %.

Принцип работы блока осушки

Осушка воздуха от влаги и очистка его от двуокиси углерода, ацетилена и других углеводородов происходит в результате адсорбции их синтетическими цеолитами в адсорберах блока очистки.

Процесс работы блока включает в себя ряд взаимосвязанных процессов:

процесс адсорбции;

процесс регенерации (состоит из десорбции и охлаждения адсорбента);

доохлаждение адсорбента.

Процесс адсорбции – поглощение газов, паров и углеводородов веществами с высокопористой структурой - адсорбентами, в данном случае цеолитом марки NaX.

Данный процесс продолжается в течение определенного времени, до определенного предела насыщения (до определенного времени защитного действия адсорбционного слоя).На блоке комплексной очистки воздуха таким временем является период, когда после него проходит воздух, содержащий углекислоту в пределах 10-20см3/м3 перерабатываемого воздуха, а влаги – по точке росы не ниже (–70°С) при Р=150 кгс/см2. Многие параметры влияют на продолжительность процесса адсорбции, его качество главными среди них являются - температура и скорость поступающего воздуха. В дальнейшем поглотительная способность цеолитов ухудшается, и продолжение их работы приводит к нарушению технологического процесса работы ВРУ.

Работа КБО в режиме адсорбции определяется по степени насыщения цеолита двуокисью углерода ибо они поглощают СО2 хуже, чем влагу (6,5 часов). В ходе процесса адсорбции кроме влаги, двуокиси углерода происходит очистка воздуха от ацетилена, других углеводородов, а также масла и продуктов его разложения; что позволяет обеспечить безопасность в работе ВРУ.

На ход процесса адсорбции значительное влияние оказывает качество цеолита, высота слоя адсорбента и продолжительность его работы.

Адсорбционная способность цеолита восстанавливается регенерацией.

Процесс регенерации - удаление ранее поглощенных вредных примесей из цеолита и восстановление его первоначальных свойств. Может осуществляться как разогретым воздухом, так и отбросным газом (азотом). В КБО воздуха регенерация адсорбента осуществляется отбросным газом (азотом).

Процесс регенерации включает в себя ряд операций:

десорбция адсорбента;

охлаждение адсорбента.

Десорбция адсорбента - нагревание адсорбента подогретым в электроподогревателеотбросным газом до температуры 380-400°С. Продолжается в течение 3 часов до температуры отбросного газа на выходе из адсорберов Т =200°С.

Количество поступающего азота – не менее 105 м3/ч, его давление 0,2-0,3 кгс/см2, количество азота зависит от давления в колонне низкого давления и поддерживается вентилем.

Температура поступающего отбросного газа поддерживается на выходе из электроподогревателя и адсорберов автоматически, с помощью терморегуляторов ТР-102 (ТР-103) или вручную кнопками «ПУСК» и «СТОП».

В процессе десорбции осуществляется выпаривание вредных примесей и окончательное их удаление происходит при температуре на выходе из адсорберов равными 200°С, причем последним удаляется двуокись углерода. Опыт эксплуатации ВРУ показал, что данную температуру на выходе из адсорберов можно достигнуть в течений 3-х часов. После окончания прогрева цеолита отбросньм газом адсорбер ставят в режим охлаждения адсорбента.

Охлаждение адсорбента осуществляется путем пропускания отбросного газа через регенерируемый адсорбер без предварительного его подогрева. Электроподогревательотбросного газа в этот момент выключен.

В момент охлаждения адсорбента количество отбросного газа увеличивается до 220 м3/час путем прикрытия вентиля на БРВ (контроль осуществляется по указателю расхода УЖК).

Повышение количества отбросного газа вызвано сокращением времени ввода в строй адсорберов. Процесс продолжается 3,5 часа и характеризуется понижением температуры до нормальной (+30°С).

После окончания охлаждения адсорбента до нормальных температур происходит доохлаждение данного адсорбера до рабочих температур (+5°С...+8°С, цеолит в этом случае обладает наилучшими поглотительными способностями) технологическим воздухом.

Доохлаждение адсорбера осуществляется техническим воздухом путем постановки данного адсорбера на параллельную работу с рабочим. Процесс доохлаждения воздуха продолжается в течение последних 3-х часов до постановки рабочего адсорбента на регенерацию.

В момент доохлаждения адсорбента контролируется температура воздуха на выходе из блока очистки по термометру ТЗ. Она должна быть не выше, чем на 15°С температуры Т2 и регулируется с помощью входного запорного воздушного вентиля 3-101(-3-102).

При проведении процесса доохлаждения адсорбента наблюдаются некоторые изменения в работе блока разделения воздуха, а именно, понижаются уровни жидкости в сборниках КВД и КНД, подает анализ кислорода. Это объясняется тем, что при параллельной работе адсорберов увеличивается занос воздуха с более высокой температурой, холодопроизводительность ВРУ понижается. Поэтому, чтобы не изменять режим работы ВРУ в момент параллельной работы адсорберов поднимают давление воздуха в системе или при данном давлении воздуха в системе увеличивают нагрузку на детандер.

После доохлаждения воздуха до температуры технологического воздуха, адсорберы переключают с одного режима работы на другой Подробно рассмотрев процессы, происходящие в КБО воздуха при его работе, рассмотрим порядок его работы.

Регенерация адсорбента производится потоком газа, отбросного из блока разделения, нагретого в электроподогревателе блока очистки до температуры З80-400°С. Горячий газ поступает в адсорберы через верхнюю горловину баллона и выходит через нижнюю горловину. Регенерация считается законченной при достижении температуры выходящего регенерирующего газа 200°С.

После окончания регенерации электроподогреватель выключается и адсорбент (цеолит) охлаждается тем же потоком отбросного газа. Доохлаждениеотрегенерированного адсорбента до рабочей температуры производится при параллельной работе адсорберов, т.е. адсорбер, работавший в режиме очистки перед постановкой его на регенерацию, должны работать последние три часа совместно с адсорбером, который находился на охлаждении адсорбента. Ввиду того, что цеолит поглощает двуокись углерода хуже, чем влагу и ацетилен, период переключения адсорберов в режиме очистки воздуха определяется из условия насыщения адсорбента двуокисью углерода.

Воздух с температурой в пределах 5-8°С и под давлением до 200 кгс/см2 поступает через нижнюю горловину в один из адсорберов, где происходит дальнейшая очистка и осушка его, выходит через верхнюю горловину адсорбера и по трубопроводу поступает к фильтру блока очистки. В фильтре воздух очищается от цеолитов от пыли и направляется в блок разделения и детандер.

Перед адсорберами установлен обратный клапан, защищающий адсорбент от разрушения при резком внезапном падении давления воздуха на входе в блок очистки.

С целью защиты блока разделения и электроподогревателя блока очистки от повышения давления на линии входа регенерирующего газа в электроподогреватель предусмотрена разрывная мембрана, срабатывающая при давлении 0,8-1,2 кгс/см2 .

Для автоматического выключения электроподогревателя при повышении температуры выше заданной на линии регенерирующего газа за электроподогревателем и на выходе газа из адсорберов установлены терморегуляторы.

В целях предотвращения износа цеолита наполнение и опорожнение адсорберов производится в течение 15 минут.

Работу блока очистки и осушки воздуха можно представить на цикловой диаграмме.

 

Цикловая диаграмма отражает величину отрезков времени, в течение: которых происходят различные этапы переключения адсорберов и перераспределения газовых потоков.

 

 

Левый адсорбер
3 часа	15 мин	3 часа	3,5 часа	15 мин	3 часа	6 часа
параллельная работа	сброс	десорбция	охлаждение	наполнение	параллельная работа	работа
Правый адсорбер
15 мин	3 часа	6,5 часов	3 часа	15 мин	3 часа	3,5 часа
наполнение	параллельная работа	работа	параллельная работа	сброс	десорбция	охлаждение

 

 

Практическое занятие № 1. АДСОРБЕРЫ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ.

Учебный вопрос № 1. Адсорберы ВРУ и взрывоопасность

 

В атмосферном воздухе кроме целевых компонентов содержатся примеси, которые могут кристаллизоваться в аппаратах, нарушая режим их работы, и взрывоопасные примеси. К первой группе примесей обычно относят пары воды и двуокиси углерода, ко второй – углеводороды, озон и др. Для обеспечения надежной и безопасной работы ВРУ необходимо осуществлять очистку воздуха и продуктов его разложения.

В установках малой и средней производительности выполняют комплексную осушку и очистку воздуха в специальных адсорбционных блоках, работающих при температуре 278–283 К. В этих же аппаратах частично удаляют и взрывоопасные примеси. В ВРУ низкого давления большой производительности небольшая часть воздуха (петлевой поток) очищается от двуокиси углерода в низкотемпературных адсорберах. В последние годы созданы ВРУ низкого давления с комплексной осушкой и очисткой всего потока сжатого воздуха.

Наиболее взрывоопасными элементами ВРУ являются аппараты, в которых кипит и испаряется жидкий кислород. Это, в первую очередь, конденсаторы-испарители. Углеводороды могут накапливаться в жидком кислороде и иногда на теплопередающих поверхностях, омываемых жидким кислородом. Взрывоопасные примеси из жидкой фазы обычно улавливают в адсорбционных аппаратах, установленных на потоках кубовой жидкости и кислорода в циркуляционном контуре конденсатора-испарителя.

Состав и доля взрывоопасных примесей в воздухе, поступающем в установку, зависят от места ее работы и выброса газов промышленными предприятиями вблизи нее. Кроме того, воздух может быть загрязнен продуктами разложения смазочных масел в ВРУ. Объемные доли, см3/м3, взрывоопасных примесей в сухом атмосферном воздухе при нормальных условиях (р = 1,01·105 Па и Т = 273,15 К) приведены ниже.

Примесь	СО	СН4	С2Н6	С2Н2	N2О	О3
Объемная доля, см3/м3	до 35	до 1,0	0,1	0,001–1,0	0,5	0–0,5

 

Растворимость примесей в жидком кислороде и кубовой жидкости при температурах 90 и 100 К указана в табл. 1.

Очистка петлевого потока воздух. Часть воздуха (петлевой поток), охлаждаемого в регенераторах, отводится из середины регенератора в адсорбер для очистки от углекислого газа. Температура петлевого потока и расход воздуха в нем зависят от условий работы регенераторов без забиваемости твердой фазой СО2. Принципиальная схема узла ВРУ с адсорберами на петлевом потоке показана на рис. 1. Период переключения адсорберов составляет примерно 70 ч. В качестве адсорбента используют силикагель марки КСМ.

Таблица 1

Растворимость взрывоопасных примесей

 

Примесь	Температура кипения при нормальном давлении, К	Растворимость, приведенная к нормальным условиям, см3/м3
в жидком кисло-роде при 90 К	в кубовой жид-кости при 100 К
Метан СН4	111,5	910 000	990 000
Этан С2Н6	184,5	93 000	109 000
Этилен С2Н4	160,0	27 500	-
Пропан С3Н8	230,8	7 000	10 800
Ацетилен С2Н2	189,4	5,4	19,5

Диаметр адсорбера определяют из условия допустимых скоростей фильтрации рабочего потока, отнесенных к полному сечения аппарата. Высота слоя адсорбента зависит от времени работы адсорбера до переключения на регенерацию. Изменение температуры потока приводит к резкому изменению времени защитного действия адсорбента должна быть увеличена по сравнению с расчетным (обычно на 20 %).

Воздух из регенераторов

Воздух в верхнюю колонну

Воздух из нижней колонны

 

 

Рис. 1. Схема очистки петлевого потока воздуха от двуокиси углерода

1 – адсорбер; 2 – турбодетандер; 3 – регулирующий вентиль

 

Комплексная осушка и очистка сжатого воздуха. Блок комплексной осушки и очистки воздуха (БКО) наиболее широко применяют в ВРУ среднего и высокого давлений. Давление воздуха в адсорберах составляет 3-7 или 10-20 МПА. Воздух перед БКО охлаждает до 278-283 К с целью уменьшения в нем паров воды и увеличения поглотительной способности адсорбента. Осушку и очистку от паров Н2О, СО2 и С2Н2 и других примесей выполняют с помощью синтетического цеолита NаХ. Степень осушки воздуха соответствует точке росы не менее 203 К, остаточная доля СО2 в очищенном воздухе около 1,5 см3/м3, С2Н2 – не более 5·10-3 см3/м3.

Насыщение цеолита парами Н2О, СО2 и С2Н2 происходит до определенного предела, а затем адсорбционная емкость адсорбента восстанавливается путем регенерации. Цеолит NаХ поглощает СО2 хуже, чем Н2О и С2Н2, поэтому переключения адсорберов блока определяют из условия насыщения адсорбента углекислым газом. Периодичность переключения адсорберов 8–20 ч. Для регенерации адсорбента используют азот или воздух,

Воздух из предварительного теплообменника

Очищенный воздух в основной теплообменник

3 6

 

4 5

 

1 8

2 12

 

17 16

 

19 13

 

20 18 15 14

 

 

Рис. 2. Схема блока комплексной осушки и очистки воздуха (БКО)

1 – влагоотделитель; 2, 12 – адсорберы; 3-6, 8, 15-18 – вентили; 7, 11 – измерительные преобразователи температуры; 9 – нагреватель; 10 – терморегулятор; 13, 19 – фильтры; 14, 20 – манометры подогретые до 650-670 К; расход регенерирующего газа составляет примерно 20 % расхода очищаемого воздуха. В конце процесса регенерации температура азота (воздуха) на выходе из адсорбера должна быть не менее 473-493 К; перед переключением адсорбера на режим очистки его охлаждают потоком подогретого газа.

Изготовляют БКО по различным технологическим схемам: с двумя (рис. 2) и четырьмя адсорберами. Максимальная производительность БКО 31 500 м3/ч. Очищаемый воздух поступает во влагоотделитель 1, а затем в адсорбер 2, на выходе из которого установлен фильтр 19 для улавливания цеолитовой пыли. Регенерирующий газ после подогревателя 9 поступает в адсорбер 12. Время десорбции адсорбента меньше продолжительности адсорбции на величину, необходимую для охлаждения адсорбента до рабочей температуры. Работа БКО непрерывна, цикл каждого адсорбента состоит из следующих режимов: адсорбции, термодесорбции и охлаждения адсорбента.

В БКО с четырьмя адсорберами в режиме адсорбции работают одновременно два адсорбера, а два других – в режиме регенерации; циклы переключения всех адсорберов смещены для обеспечения более равномерной работы БКО.

Воздух в турбодетандер

Жидкость в верхнюю колонну

Жидкость в верхнюю колонну

Воздух из регенераторов

 

 

 

 

1 2 4

 

 

 

а) б)

 

Рис. 3. Схема очистки от углеводородов кубовой жидкости

 

а – на потоке в верхнюю колонну (1 – куб нижней колонны; 2 – адсорбер; 3 – дроссельный вентиль); б – в отмывочной колонне (1 – нижняя колонна; 2 – отмывочная колонна; 3 – циркуляционный насос; 4 – адсорбер).

 

Очистка кубовой жидкости от углеводородов. Жидкость, находящуюся в кубе нижней колонны, очищают в адсорберах от взрывоопасных примесей. В качестве адсорбента для очистки кубовой жидкости в настоящее время применяют силикагель марки КСМ (реже КСК). Ацетиленоемкость силикагеля КСМ с насыпной плотностью 0,78 кг/дм3 зависит от содержания в воздухе двуокиси углерода и при средних долях ацетилена в жидкости 0,2 см3/дм3 и СО2 в воздухе 11–14 см3/м3 составляет 1,8 см3/дм3.

Наиболее распространенные схемы включения адсорберов на потоке кубовой жидкости показаны на рис. 3. Способ очистки воздуха в отмывочной колонне позволяет вести процесс при большей концентрации удаляемых примесей. Это достигается благодаря более высокой температуре жидкости в колонне по сравнению с температурой кислорода и, следовательно, большей растворимости примесей. Повышенное содержание примесей в данном случае не опасно, так как жидкость в отмывочной колонне не кипит.

Очистка жидкого кислорода от углеводородов. Особенно опасно попадание в жидкий кислород даже небольших объемов взрывоопасных примесей в установках с длительным периодом работы. При кипении жидкого кислорода эти примеси постепенно могут накапливаться в жидкости, так как

 

Газообразный кислород

Жидкий кислород из верхней колонны

Жидкий кислород

 

Рис. 4. Схема очистки от углеводородов жидкого кислорода

1- выносной конденсатор-испаритель; 2 - адсорбер

 

давление насыщенных паров углеводородов существенно ниже давления насыщенного пара кислорода. Кроме того, адсорберы БКО на петлевом потоке воздуха не обеспечивают полной очистки от С2Н2 и многоатомных углеводородов, а степень очистки этана и этилена не превышает 10 %. В связи с этим в ВРУ применяют адсорбционную очистку жидкого кислорода.

Известны две схемы включения адсорберов: на потоке жидкого кислорода перед выносными конденсаторами – испарителями и в циркуляционном контуре. В настоящее время наиболее распространена вторая схема (рис. ) как более эффективная. Её преимущество – непрерывная и более глубокая степень очистки, обусловленная многократным прохождением жидкости через адсорбер. Циркуляция жидкого кислорода обеспечивается специальным насосом или парлифтом. Режимы работы адсорберов очистки кислорода и кубовой жидкости близки.

Очистка и разделение инертных газов. Процесс низкотемпературной адсорбции в ВРУ используют также для разделения и получения чистых инертных газов. Адсорбционные блоки очистки и разделения инертных газов в ВРУ выполняют следующие технологические в ВРУ выполняют следующие технологические задачи: получение чистого аргона (объемная доля более 99,999 %) из сырого аргона (85-98 %); комплексную очистку от двуокиси углерода и углеводородов криптоноксенонового концентрата; разделение первичного криптоноксенонового концентрата; разделение неоногелиевой смеси.

Возможность применения процесса физической адсорбции для получения особой чистоты аргона обусловлена различием критических размеров атомов аргона и молекулы кислорода. Процесс очистки осуществляют на адсорбентах типа молекулярное сито.

 

Тема № 3. РАСШИРЕНИЕ ГАЗОВ.

Лекция № 1. ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОВ.

Учебный вопрос № 1. Сущность процесса дросселирования

 

Дросселированием называют необратимый процесс, в котором давление при прохождении газа через ссуженное отверстие уменьшается без совершения внешней работы.

Всякое сопротивление в трубопроводе (вентили, задвижка, шайба кран, клапан и др.) вызывает дросселирование газа и, сле­довательно, падение давления.

Величина падения давления зависит от природы рабочего тела, его состояния, величины сужения газопровода и скорости движе­ния газа.

В большинстве случаев дросселирование, сопровождающееся уменьшением работоспособности тела, приносит безусловный вред, Но иногда оно является необходимым и создается искусственно, например, при регулировании паровых двигателей, в холодильных установках, в приборах, замеряющих расход газа и т.д.

Газ при прохождении через отверстие, представляющее извест­ное сопротивление, кинетическая энергия газа и его скорость в узком сечении возрастают, что сопровождается падением темпера­туры и давления (рис. 1).

Примером процесса дросселирования является выпуск сжатого газа из баллона. Температура газа на выходе из баллона резко понижается и вентиль обмерзает.

Процесс дросселированияподчиняется обшей теория газового потока,

Р1, V1, Т1   Сжатый газ

Р2, V2, Т2   Расширенный газ

Рис. 1. Принципиальная схема дросселирования.

 

 

основные положения которого были изложены Д.Бернулли, Н.Е.Жуковским и Чаплыгиным. Особое значение имеют работы Жуков­ского "Истечение газа под большим напором" и "О трении газов".

Большинство реальных газов (воздух, кислород, азот, углекис­лота и др.) при дросселировании в обычных условиях понижают свою температуру.

В основе этого процесса лежит эффект охлаждения, обнаружен­ный Джоулем и Томсоном в 1852 г. при адиабатномдросселирова­нии реального газа. Этот процесс протекает как без теплообмена» так и без совершения полезной внешней работы.

Эти ученые произвели опыт с пропусканием сжатого газа через пористую пробку, вставленную в трубку, и установили, что при расширении газа во время прохождения через пробку происходит охлаждение его.

 

Дросселирование протекавшего газа или жидкости возникает в том случае, когда поток внезапно сужается вследствие уменьшения сечения, а затем опять получает возможность двигаться в большем сечении.

В ссуженном сечении скорость потока возрастает, что одновре­менно вызывает понижение температуры потока и, следовательно, уменьшение его внутренней энергии.

Кинетическая энергия, полученная потоком в процессе дроссе­лирования, расходуется на трение, превращается в тепло, кото­рое воспринимается самим потоком. Этот процесс приводит к из­менению внутренней энергии и температуры дросселируемого ве­щества, а в случае дросселирования влажного пара - и к увели­чению его сухости. В зависимости от свойств и состояния дрос­селируемого вещества внутренняя энергия за дроссельным участ­ком может быть больше или меньше, либо равной внутренней энер­гии до дроссельного участка. От этого соотношения зависит из­менение состояния дросселируемого вещества, следовательно, ко­нечная температура вещества может быть выше, равна или ниже начальной.

Подвод тепла за счет внутреннего трения приводит к измене­нию не только внутренней энергии, но и к возрастанию энтропии дросселируемого вещества, которая увеличивается не за счет внешних теплопритоков, а вследствие сообщения потоку тепла, эк­вивалентного потерянной на трение работе (энергии) самого по­тока, поэтому процесс дросселирования - внутренне необратимый.

Процесс дросселирования можно рассмотреть с помощью схемы, изображенной на рисунке 2.

При прохождении газа через отверстие, представляющее извес­тное сопротивление, кинетическая энергия газа и его скорость в узком сечении возрастают, что сопровождается падением температуры и давления.

 

Рис. 2. Схема процесса дросселирования

 

Газ, протекая через отверстие, приходит в вихревое движение. Часть кинетической энергии затрачивается на образование этих вихрей и превращается в теплоту, кроме этого, как было указано выше, в теплоту превращается и работа, затраченная на преодо­ление сопротивлений (трения).

Вся эта теплота воспринимается газом, в результате чего температура его изменяется и может как уменьшаться, так и увеличиваться.

В отверстии скорость газа увеличивается. За отверстием, ког­да газ течет по полному сечению, скорость его вновь понижает­ся, а давление увеличивается, но до начального значения оно не поднимается; некоторое изменение скорости произойдет в связи с увеличением удельного объема газа от уменьшения давлении.

Дросселирование, как указывалось выше, является необратимым процессом, при котором всегда происходит увеличение энтропии и уменьшение работоспособности рабочего тела.

При перемещении I кг газа через отверстие поршень I пере­местятся в положение I', а поршень II в положение 11' , при этом поршень I совершит путь S1 , а поршень II – путь S2.

Для перемещения I кг газа необходимо затратить работу P1S1F1 или P1Q1.

Часть этой работы P2S2F2 или P2V2 будет израсходована на преодоление давления P2, а разность работ P1V1–P2V2 вызовет изменение энергии рабочего тела.

w22– w12

Если начальная скорость газа W1 и внутренняя энергия W2 то будем иметь

Р1V1 – P2V2 = U2 – U1 +

 

w12

w22

При условии, что скорости W1 и W2 мало отличаются друг от друга, изменением внешней кинетической энергии можно пренеб­речь и считать

= 0,

–

 

отсюда

(U1 – P1V1) – (U2 – P2V2) = 0

 

i1 – i2 = 0 i1 = i2

Полученное равенство показывает, что энтальпия в результате процесса дросселирования не изменяется. Этот вывод к проме­жуточным состояниям газа неприменим.

Энтальпия идеального газа является однозначной функцией тем­пературы. Отсюда следует, что в результате дросселирования иде­ального газа температура его не изменяется Т1 = Т2.

В результате процесса дросселирования реального газа энталь­пия для начальных и конечных давлений остается одинаковой, эн­тропия и объем увеличиваются, давление падает, а температуре может увеличиваться, уменьшаться или же, в частном случае, ос­таться без изменений.

Изученное ранее уравнение состояния Клапейрона PV = RT справедливо только для идеальных газов, которые в природе не существуют. Объем реальных газов, особенно в условиях высокого давления и низкой температуры, уменьшается при сжатии больше или меньше, чем это следует из уравнения состояния.

Уравнение Клапейрона для 1 кг реального газа имеет следующий вид: РV=ZRT,

где Z - коэффициент сжимаемости.

Сущность явления сжимаемости заключается в следующем.

Между молекулами реального газа существуют силы сцепления и отталкивания. При сжатии газа до давлений 10-20 МПа силы сцепления возрастают в большей степени, нежели силы отталкива­ния. За счет этих повышенных сил сцепления объем газа при сжа­тии уменьшается в большей степени, чем это следует по закону Бойля-Мариотта, на величину "самосжимаемости".

Зная коэффициент сжимаемости данного реального газа, можно по уравнению Клайперона для идеального газа определить измене­ние давления или объема реального газа. Кривые, по которым мож­но определить коэффициенты сжимаемости для некоторых газов при разных абсолютных давлениях и температурах (0 и 50°С) приведе­ны на рисунке.

Если коэффициент сжимаемости при данной температуре и дав­лении меньше единицы, такой газ сжимается в большей степени, чем идеальный газ; наоборот, если z >1, газ сжимается в мень­шей степени, чем это следует из уравнения Клапейрона. Для иде­ального газа коэффициент сжимаемости z =1.

В момент дросселирования газа давление понижается и газ рас­ширяется. Температура идеального газа остается постоянной, но для всех реальных газов при дросселировании температура изменяется. Данное явление обусловлено присущей реальным газам большей или меньшей степени сжимаемости по сравнению с идеаль­ным газом.

 

 

0 40 80 120 160 200 0 40 80 120 160 200

Абсолютное давление, кгс/см2 Абсолютное давление, кгс/см2

 

Рис. 3. Коэффициент сжимаемости реальных газов при разных абсолютных давлениях и температурах

 

Оно было установлено английскими учеными Джоулем и Томсоном (Кельвином).

При дросселировании реальный газ совершает два вида рабо­ты – внешнюю и внутреннюю.

Внешняя работа заключается в перемещении некоторого объе­ма газа при том давлении, которое действует после дросселя, а внутренняя – в преодолении сил взаимного притяжения между молекулами газа в процессе его расширения. Внешняя работа может быть как положительной, так и отрица­тельной. Если реальный газ сжимается сильнее, чем это следу­ет по уравнению Клапейрона, то внешняя работа будет положитель­ной. Она производится за счет части внутренней энергии газа, вследствие чего его температура понижается, т.е. газ охлажда­ется.

Когда реальный газ сжимается в меньшей степени, чем следу­ет по уравнению Клапейрона, то внешняя работа отрицательна. В этом случае используется часть работы компрессора, и газ после дросселя нагревается, так как эта избыточная работа идет на увеличение внутренней энергии газа. Внутренняя работа, производимая газом при дросселирования, всегда положительна, т.е. вызывает охлаждение газа.

Общий эффект дросселирования для каждого реального газа определяется соотношением внешней и внутренней работы и зави­сит от начальных условий дросселирования (начального давления и температуры газа), а также физической природы газа.

Внешняя работа для воздуха, кислорода, азота в областях давлений и температур, обычных при их дросселировании в уста­новках глубокого холода, положительна и по своей абсолютной величине незначительна по сравнению с внутренней работой. Поэ­тому эти газы при дросселировании всегда охлаждаются.

Однако существуют условия, когда эти газы при дросселировании могут не охлаждаться, а наоборот нагреваться. Например, Фогель установил, что при начальной температуре 28З°Кпроцессыдросселирования воздуха с давлением выше 36,8 МПа и кислоро­да с давлением свыше 31,1 МПа сопровождаются нагреванием этих газов.

 

Учебный вопрос № 2. Эффекты дросселирования

 

В термодинамике низких температур различают дифференциальный, интегральный и охлаждающий эффекты Джоуля-Томсона.

 

Дифференциальный эффект

Дифференциальный эффект (αi) - отношение бесконечно ма­лого изменения температуры дросселируемого газа к бесконечно малому уменьшению давления, вызывающему это изменение темпера­туры.

Теплосодержание газа в процессе дросселирования остается постоянным (i = сonst). Уменьшение теплосодержания газа происходит всегда до начала дросселирования, т.е. в процессе сжатия газа в компрессоре до начального давления перед дрос­селем. При этом затрачиваемая на сжатие механическая работа переходит в тепло сжатия, которое отводится от газа водой в холодильнике. Расширившийся затем в дросселе газ будет иметь вследствие этого меньшее теплосодержание и его температура после расширения будет ниже начальной на величину интеграль­ного эффекта. Дифференциальный эффект αi = δТ/δР.

Принимая αР = 0,1 МПа, получим αi равной изменению температуры при дросселировании, приходящейся на 0,1 МПа падения давления.

Если αi > 0, то эффект положительный;

αi < 0 – эффект отрицательный;

αi = 0 – инверсионная точка.

Величину дифференциального эффекта Джоуля-Томсона можно приближенно определить по формуле Ноэля

Т

αi = (а – вР)( )2,

 

где Т – начальная температура в °К;

Р – начальное абсолютное давление дросселирования;

а – коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние сил между молекулами. Данный коэффициент имеет для каждого газа определенное числовое значение, не зависящее от паров состояния. Для воздуха а = 0,268, для кислорода а = 0,313;

в – коэффициент пропорциональности, учитывающий объем молекул или наименьший объем, до которого можно сжать газ. Величина в является учетверенным собственным объемом молекул газа. Данный коэффициент имеет для каждого газа определенное числовое значение, не зависящее от параметров состояния. Для воздуха в = 0,00086, для кислорода в = 0,00085.

Из формулы следует, что с увеличением начального давления величина αi будет уменьшаться и при а = вР станет равной нулю, т.е. температура воздуха при дросселировании понижаться не будет. Дальнейшее увеличение давления приводит к тому, что величина эффекта Джоуля-Томсона становится отрицательной и газ при дросселировании будет нагреваться.

Эта переходная точка, где меняется значение дифференциального эффекта на отрицательное, т.е. αi =0 называется точкой инверсии.

Гаузеном установлено, что величина дифференциального эф­фекта Джоуля-Томсона зависит от изменения температуре. Опыты Гаузена показали также, что воздух в области низких темпера­тур и давлений имеет вторую точку инверсии.

Поэтому величину дифференциального эффекта Джоуля-Томсона при расчетах находят по специальной диаграмме (рис. 4).

Сплошные линии на диаграмме соответствуют кривым постоянно­го абсолютного давления (изобары). Кривая насыщения показана слева пунктиром с точкой. Верхняя ее часть от критической точ­ки относится к сухому насыщенному пару, а нижняя - к жидкости.

Вертикальная линия, проходящая через критическую точку, яв­ляется критической изотермой, соответствующей Ткр = 132,6 К. Влево от нее и ниже нижней кривой насыщения воздух находится в жидком состоянии. В области давлений меньше критического эффект Джоуля-Томсона с понижением

αi,, град на 1 кгс/см2

Рис. 4. Значения дифференциального эффекта Джоуля-Томсона для воздуха при различных температурах и абсолютных давлениях

Температура Т, ˚К

 

 

температуры увеличивается до линии насыщения. При давлениях выше критического этот эф­фект с понижением температуры сначала возрастает до максиму­ма, а затем уменьшается, и тем более резко, чем ближе давле­ние к критическому.

Дифференциальный эффект Джоуля-Томсона при высоких давлени­ях и низких температурах отрицательный. Точки пересечения изо­бар с горизонталью 0-0 являются инверсионными, так как в них αi = 0. Как видно из диаграммы изобары в правой части также где-то пересекаются с горизонталью 0-0; это соответст­вует вторым инверсионным точкам для воздуха в области очень высоких температур. Между двумя инверсионными точками значение дифференциального эффекта Джоуля-Томсона для воздуха всегда положительно.

Практически для приближенных подсчетов дифференциальный эффект считают равным ¼ °С при понижении давления на 1 ат.

 

Интегральный эффект

Эффект, наблюдающийся при больших изменениях давления, на­зывается интегральным.

Интегральный эффект Δ Тi показывает суммарное изменение температуры при данном конечном перепаде давлений.

Величину интегрального эффекта Джоуля-Томсона вычисляют для различных начальных давлений и температур дросселирования. Кроме того величина Δ Тi может быть определена:

- непосредственным измерением температур газа в начале и конце процесса как разность Δ Тi = Т2 – Т1;

- по формуле

Δ Тi = di (Р1 – Р2)(273/Т1)2,

где: (Р1–Р2) – перепад давлений;

273/Т1 – температурная поправка с учетом начальной тем­пературы ;

по диаграммам i – Т; i – S и др.

 

Рис. 5. Графики i – Т иi – S для определения интегрального эффекта

Изотермический (охлаждающий) эффект

Изотермический эффект ΔIт показывает количество холода в кдж, расширившегося в дросселе с начального до конечного давления.

Для расчета процессов глубокого охлаждения исключительно важное значение имеет выражение джоуль-томсоновского эффекта в кдж или так называемый изотермический эффект дросселирования, представляющий собой разность теплосодержания сжатого состояние до дросселирования и расширенного газа при одной и той же температуре начала дросселирования.

ΔIт – это величина, численно равная разности энтальпий, полученных в процессах, предшествовавших дросселированию, т.е. в результате изотермического сжатия в компрессорной установке. Между изотермическим эффектом и интегральным существует следующая зависимость

ΔIт = Ср ΔТi,

где Ср - средняя теплоемкость газа при постоянном давлении в пределах определенного интервала температур при дросселировании кдж/кг · град.

Изотермический эффект характеризует холодопроизводительность процесса дросселирования. Он равен работе межмолекулярных сил газа при его сжатии и, следовательно, количеству холода, полу­ченному при дросселировании:

Qдр = ΔIт

 

 

Рис. 6. График S – Т и I – Т для определения изотермического эффекта

Учебный вопрос № 3. Применение процесса дросселирования и влияние различных факторов на его эффективность

 

Процесс дросселирования применяется для регулирования паровых двигателей и других турбомашин, в холодильных установках, приборах для определения расхода газа и др.

На джоуль-томсоновском эффекте дросселирования разработан ряд холодильных циклов для получения жидкого воздуха в воздухоразделительных установках для получения кислорода, азота и других газов. На этом принципе и был основан крайне простой холодильный цикл с дросселированием, использованный Линде в первой установке для сжижения воздуха и нашедший широкое применение в промышленности, несмотря на термодинамически очевидную его низкую эффективность. Решающим фактором в данном случае была практическая осуществимость такого цикла.

Обычно по данному циклу работают установки малой и средней производительности для получения газообразного кислорода и азота.

Общий эффект дросселирования для каждого реального газа определяется соотношением внешней и внутренней работы и зависит от начальных условий дросселирования (начального давления и температуры газа), а также физической работы газа.

Внешняя работа для воздуха, кислорода и азота в областях давлений, температур, обычных при их дросселировании в установках глубокого холода, положительна и по своей абсолютной величине незначительна по сравнению с внутренней работой. Поэтому эти газы при дросселировании всегда охлаждаются. Исключение составляют водород и гелий. Физическая природа этих газов такова, что силы взаимного притяжения между их молекулами незначительны. Поэтому внутренняя работа дросселирования водорода и гелия, затрачиваемая на преодоление межмолекулярных сил сцепления, очень мала по сравнению с внешней работой, что приводит к отрицательному эффекту дросселирования.

Из диаграммы S – Т следует, что с повышением начального давления воздуха холодопроизводительность при процессе дросселирования возрастает, а также заметно повышается его эффективность.

 

Абсолютное давление сжатого воздуха, МПа
Холодопроизводительность, кДж/кг	12,6	20,9	28,1	33,9
Фактическая затрата на 1 кг сжиженного воздуха, кДж	252 · 103	30,2 · 103	18,7 · 103	14,8 · 103

 

Из этих данных видно, что с ростом давления воздуха холодопроизводительность увеличивается, а затрата энергии на 1 кг сжиженного воздуха уменьшается. Холодопроизводительность процесса возрастает пропорционально разности давлений (при данной температуре). Это приводит к заметному росту эффективности с повышением давления.

При повышении давления с 6 до 20 МПа холодопроизводительность увеличится с 12,6 до 33,9 кДж/кг или в 2,7 раза, тогда как затрата работы на изотермическое сжатие увеличится с 350 до 460 кДж/кг, то есть на 31 %. В результате эффективность процесса повысится в 2 раза.

С понижением начальной температуры газа (до определенных значений) эффективность процесса дросселирования существенно увеличивается.

Если воздух перед расширением имеет, например, температуру 15ºС, то при расширении от абсолютного давления 20 МПа до 0,1 МПа температура понизится всего на 39ºС. После предварительного охлаждения воздуха до –50ºС можно после расширения с 20 до 0,1 МПа достичь температур –121,5º С.

Для понижения температуры сжатого воздуха перед дросселированием используют теплообменники, где сжатый воздух охлаждается обратным воздухом, охлажденным в процессе дросселирования. Включение теплообменника позволяет получить то же количество холода при более низких температурах.

 

Групповое занятие № 2. Расширение газов с отдачей внешней работы.

Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация детандеров

 

Слово "детандер" происходит от французского detendre, что значит уменьшать давление, и является общеупотребительным в нашей технической литературе. Процесс сжижения воздуха первым осуществил в 1902 году французский академик Ж.Клод при помо­щи сконструированного им детандера. В последние годы, наряду с этим термином, стало применяться название "расширительные машины''.

Детандеры или расширительные машины предназначены для рас­ширения газа с целью генерации холода в циклах низкотемпературных установок, для чего в этих машинах осуществляется преобра­зование энергии сжатого газа в работу, передаваемую тормозно­му устройству.

Существует два больших класса детандерных машин:

- газодинамические (или поточные);

- объемные.

В газодинамических машинах преобразование энергии сжатого газа в работу переходит через стадию преобразования энергии сжатого газа в кинетическую энергию потока. Газодинамические детандеры получили распространение под названием турбодетандеров.

В объемных машинах энергия сжатого газа преобразуется в работу непосредственно за счет газовых сил давления. Наиболее распространенным типом объемных детандеров, нашедшим широкое применение в низкотемпературных установках, являются поршневые детандеры.

Поршневые детандеры классифицируются:

по роду рабочего тела (газа):

воздушные;

водородные;

гелие­вые и т.п.;

по уровню давления на входе:

детандеры высокого давления (ориентировочно Рвх> 10 МПа);

детандеры среднего давления (1,5 ÷ 10 МПа);

детандеры низкого давления (Рвх< 10 МПа).

по способу газораспределения:

классического типа (с клапанами впуска и выпуска);

прямоточные (с впускным клапаном и вы­пуском газа через окна в цилиндре или через специальный клапан);

бесклапанные (газораспределение осуществляется движущимся поршнем);

с золотниковым газораспределением;

по общей структуре:

расположенные вниз цилиндром, вверх ци­линдром, горизонтально и др.;

одноцилиндровые и однорядные, многоцилиндровые и многорядные;

одинарного (простого) и двой­ного действия;

по способам торможения:

с электрогенератором;

с фрикционными и гидравлическими тормозом;

детандер-компрессоры;

детандер-насосы и т.п.;

по типу поршневого уплотнения:

смазываемые;

не смазываемые с кольцами;

с манжетами;

с газовой смазкой и др.

 

Учебный вопрос № 2. Общее устройство и рабочий процесс поршневых детандеров.

 

В установках разделения воздуха методом глубокого охлажде­ния для покрытия холодопотерь обычно используются холодильные циклы с применением детандеров. Рабочим телом в таких циклах является воздух или азот.

Детандерная машина, работающая в холодильном цикле, являет­ся, как правило, наиболее ответственной частью цикла, от которой в значительной степени зависит его эффективность, надеж­ность.

Детандером называется машина, предназначенная для получе­ния холода методом расширения газа с отдачей работы во внешнюю среду.

Давление газа в детандере уменьшается, как и в дроссельном вентиле; принципиальное отличие детандера состоит в том, что достигается уменьшение энтальпии газа, сопровождающееся произ­водством внешней работы, т.е. передачей энергии (механической, электрической и т.п.) внешним телам, т.е. окружающей среде.

Поршневые детандеры применяются обычно в воздухоразделительных установках с холодильными циклами среднего и высокого дав­ления при относительно небольших расходах газа и сравнительно больших перепадах энтальпий. Массовый расход газа находится в пределах от 0,01 до 2 кг/сек. Степень расширения или относительное противодавление Рк = Ркон / Рнач при этом превышает 0,03÷0,05, а удельный изоэнтропийный перепад - величина порядка 150 кдж/кг.

На воздухоразделительных установках транспортного типа нашли применение поршневые детандеры типа ДК-50, ДВД-7, ДВД-9, ДВД-11, ДВД-13.

Основными узлами поршневых детандеров являются:

станина-картер;

кривошипно-шатунный механизм;

цилиндр с головкой;

поршень с крейцкопфом;

впускной и выпускной клапаны;

механизм га­зораспределения;

механизм регулирования производительности;

ме­ханизм предохранения от разноса детандера;

система смазки;

тормозной электродвигатель-генератор.

Рабочий процесс в поршневом детандере обратен процессу сжа­тия воздуха в поршневом компрессоре и складывается из:

впуска сжатого газа в цилиндр детандера;

расширения газа в цилиндре;

выпуска расширенного газа из цилиндра;

поджатия оставшегося в цилиндре газа.

Рабочий процесс производится с помощью рабочих органов де­тандера - цилиндровой группы (цилиндра и поршня) и органов распределения - клапанов.

Движение клапанов строго согласова­но с движением механизма, перемещающего поршень.

Рабочий процесс поршневого детандера наглядно изображается графически индикаторной диаграммой в координатах Р-V . Раз­личают три вида индикаторных диаграмм:

- теоретическая;

- расчетная;

- действительная.

Теоретическая индикаторная диаграмма изображает процесс "идеального детандера", т.е. воображаемой расширительной ма­шины, работающей без потерь, при абсолютной плотности клапанов и поршневого уплотнения.

Диаграмма позволяет установить понятие отсечки (момент окон­чания впуска) и связь между величиной площади диаграммы и холодопроизводительностью детандера.

По точкам, соответствующим моментам открытия и закрытия каждого из клапанов (впускного и выпускного), строится фазовая диаграмма поршневого детандера. Каждый из четырех секторов ди­аграммы - впуск, расширение, выпуск и поджатие газа - соответ­ствует определенным участкам рабочего процесса.

Представление о механическом воздействии рабочей среды (детандируемого газа) с окружающей средой дает индикаторная ди­аграмма, отражающая зависимость давления газа в цилиндре от положения поршня или соответствующего объема:

πD2

х

S

V = х + Vвр = Vц + Vвр,

 

где х - расстояние между положением поршня и верхней мертвой точкой (в.м.т);

S - ход поршня;

Vц - объем цилиндра;

Vвр- объем вредного пространства машины, обычно состав­ляет 3-4 % общего объема цилиндра.

Диаграмма P-V удобна тем, что ее площадью измеряется ме­ханическая работа.

Проследим рабочий процесс детандера по его теоретической индикаторной диаграмме, которая строится в предположении от­сутствия теплопритока извне и ряда других факторов (рис. 1). При движении поршня отв.м.т. впускной клапан открыт (участок 1-2), газ поступает в цилиндр и давление

Рис.1. Принципиальная схема рабочих органов поршневого детандера и теоретическая индикаторная программа

 

в цилиндре остается постоянным и равным давлению газа перед детандером. В точ­ке 2, когда угол между кривошипом и осью машины достигает значения α2, происходит отсечка впуска. К этому моменту поршнем описан объем отсечки впуска Vотс и, следовательно, находящийся в цилиндре газ наполняет объем V2 = Vотс + Vвр; масса газа G2 = ρ2V2, где ρ - плотность газа.

Процесс расширения (участок 2-3) сопровождается интенсив­ным охлаждением газа, количество которого в этом процессе неизменно (G2 = G3), поскольку предполагается полная герметичность поршневого уплотнения и клапанов. Давление газа в конце расширения Р3 обычно превышает величину противодавления Рк. Поэтому, когда в точке 3 (с некоторым опережением L3 по от­ношению к нижней мертвой точке (н.м.т.)) открывается выпускной клапан, происходит выхлоп (участок 3-4), также сопровождающийся охлаждением газа. К концу выхлопа поршень остается в райо­не н.м.т., так как процесс выхлопа протекает достаточно быстро; в цилиндре остается G4 = ρ4V4 кг газа (термодинамические параметры газа в точке 4 могут быть определены из условии Р4 = Рк и S4 = S3). При движении поршня из положения н.м.т. вверх газ выталкивается из цилиндра через выпускной клапан, ко­торый продолжает оставаться открытым (участок 4-5). Таким об­разом, период выпуска газа из цилиндра детандера состоит из двух участков: выхлопа (участок 3-4) и выталкивания (участок 4-5). В течение полного периода выпуска из цилиндра удаляется газ в количестве G = G3 – G5.

После того, как выпускной клапан закрывается (точка 5), оставшийся в цилиндре газ (в количестве G5 = ρ5V5) сжимается поршнем, который продолжает двигаться к в.м.т. Этой фазе про­цесса (поджатию) соответствует участок 5-6. При нормальной работе машины давление газа в конце поджатия Р6 ≤ Рн. В точке 6 (с опережением α6 по отношению кв.м.т.) открывается впускной клапан, газ в цилиндре занимает в этот момент объем V6 ≈ Vвр. На первой стадии впуска при заполнении вредного объема (участок 6-1), объем V = const = Vвр. Давление газа в цилиндре достигает величины Р1 = Рн, количество газа увеличивается с G6 до величины G1 = ρ1Vвр, а температура растет и может намного превысить значение начальной температуры газа (Т1>Тм). Вто­рая часть впуска - наполнение рабочего объема цилиндра сжатым газом (участок 1-2) - сопровождается смешением его с газом массой G1 при Р = const и, как указывалось выше, идет до мо­мента отсечки, т.е. до закрытия впускного клапана (точка 2), после чего следует расширение газа (участок 2-3) и т.д.

Клапаны детандера открываются принудительно от кулачков распределительного вала, а закрываются под действием спираль­ных пружин.

Профиль кулачков рассчитан таким образом, чтобы опережение впуска α6 составляло 1÷1,2 %, опережение выпуска α3 было равно 2÷3,5% и сжатие α5 достигало 3÷6 % хода поршня.

Ход отсечки α2 устанавливается в зависимости от давления воздуха перед детандером и составляет от 17 до 50 % хода порш­ня.

На практике принимают следующие углы (в градусах):

угол отсечки впускного клапана α2 = 30÷50;

угол предварения выпуска α3 = 0÷10;

угол закрытия выпускного клапана α5 = 15÷30;

угол опережения впуска α6 = 0÷10.

Наиболее важным является угол отсечки α2, так как от его величины зависит холодопроизводительность детандера и рас­ход газа через детандер.

 

 

Учебный вопрос № 3. Общее устройство и рабочий процесс турбодетандеров

 

Применение поршневых детандеров для крупных установок, перерабатывающих большие количества воздуха, становится невоз­можным. С увеличением количества и уменьшением давления возду­ха, пропускаемого через детандер, объем воздуха возрастает, что требует увеличения габаритов поршневого детандера: его диа­метра и хода поршня.

В этих условиях, особенно при низких температурах воздуха, поступавшего в детандер, последний становится громоздкой маши­ной, работающей неэкономично и недостаточно надежно. Поэтому в установках низкого давления, перерабатывающих большое коли­чество воздуха, адиабатическое расширение сжатого и предвари­тельно охлажденного воздуха возможно только в турбомашине, так называемом турбодетандере.

Однако последние достижения в части создания надежных высокооборотных подшипников позволяют использовать турбодетандеры для среднего, а в некоторых случаях и высокого давления взамен поршневых.

Турбодетандерами называются машины турбинного (лопаточного) типа, применяемые в холодильных циклах для понижения темпера­туры сжатого газа, его расширением с отдачей внешней работы.

Турбодетандеры могут быть одноступенчатые и многоступенчатые соответственно числу последовательно установленных рабо­чих колес с направляющие аппаратами.

Кроме того, детандеры принято делить на активные и реактив­ные.

Турбодетандер называется активным, если понижение давления происходит только в неподвижном направляющем аппарате, в котором энергия давления преобразуется в кинетическую энергию, а давление в колесе остается неизменным.

Турбодетандер называется реактивным, если понижение давле­ния происходит и в направляющем аппарате и в колесе.

В установках для разделения воздуха применяются почти иск­лючительно радиальные центростремительные турбодетандеры реак­тивного типа, характеризующиеся большей эффективностью, луч­шими конструктивными возможностями для осуществления количест­венного регулирования, более просты по форме рабочего колеса, меньшей чувствительностью к точности его изготовления и мень­шей стоимостью.

Этот тип турбодетандера впервые был предложен академиком П.Л. Капицей в 1939 году.

Основными элементами одноступенчатого центростремительного турбодетандера (рис. 2) или ступени многоступенчатого являются:

система неподвижных сопел, образованная лопатками направ­ляющего (соплового) аппарата 1;

система вращающихся каналов, образованная лопатками ра­бочего колеса 2.

Направляющий аппарат и рабочее колесо размещены в корпусе 3.

Расширяемый газ поступает в подводящий патрубок 4 и при помощи улитки 5 равномерно подводится к соплам с давлением Ро и скорость Со.

 

 

 

Рис. 2. Схема одноступенчатого турбодетандера с центростремительно-радиальным колесом закрытого типа.

В соплах направляющего аппарата потенциальная энергия сжато­го газа частично превращается в кинетическую: на выходе из со­пел направляющего аппарата давление Р1 < Р0 , а скорость С1, соответственно, больше Со. У входа на диаметре D1 газ вступает в каналы рабочего колеса, вращающегося с периферической ско­ростью U1, где расширяется до давления Р2 за колесом.

При протекании через каналы колеса газ развивает окружное усилие на лопатках, вследствие чего он производит внешнюю ра­боту вращения ротора и уменьшает свою энергию. У выхода на диаметре D2 газ выходит из каналов колеса со скоростью C2, мень­шей С1, и через воронку 6 колеса и отводящий патрубок 7 уда­ляется из ступени.

Для возникновения окружного усилия на лопатках колеса необ­ходимо соответствующее уменьшение момента количества движения потока относительно оси вращения. Это достигается определенными формами сопел направляющего аппарата, каналов рабочего коле­са и определенным сочетанием между скоростью вращения колеса и скоростями газа. Для этого, в частности, сопла направляющего аппарата и каналы рабочего колеса выполняют таким образом, что­бы скорость потока на выходе из сопел была наклонена под ост­рым углом α1 по направлению вращения колеса, а относительная скорость на выходе из каналов рабочего колеса была направлена под острым углом β2 против направления вращения колеса.

Давление P1 потока на входе в рабочее колесо обычно больше давления Р2 на выходе. Поэтому для уменьшения перетеканий газа между колесом и корпусом устанавливаются уплотнения лабиринто­вого типа.

В центростремительных ступенях турбодетандеров применяют ко­леса двух типов:

- центростремительно-радиальные;

- центростремительно-осевые.

В центростремительно-радиальных колесах лопатки, а следова­тельно, и каналы располагают только в радиальной части колеса: от диаметра D1 до диаметра D2, который несколько больше, чем диаметр горлового сечения выходной воронки Dв. Поток на выходе из канала колеса направлен примерно радиально, а поворот на осевое направление происходит вне каналов колеса. Так как лопат­ки не входят в зону поворота, их ограничивающие поверхности могут быть выполнены цилиндрическими. Это резко упрощает изго­товление рабочего колеса.

В центростремительно-осевых колесах поворот потока с ради­ального направления на осевое осуществляется внутри каналов колеса. Этого достигают вводом лопаток в зону входной воронки и примерно радиальным расположением их выходных кромок.

При такой конструкции загиб выходной кромки лопатки на угол β2 в одной (радиальной) плоскости (как в центростремителъно-радиальном колесе) невозможен. Поэтому лопатки центростре­мительно-осевых колес выполняют пространственными, и изготовле­ние этих колес сложнее, чем центростремительно-радиальных.

Центростремительно-радиальные колеса выполняют, как прави­ло, закрытого типа, т.е. с каналами, ограниченными стенками по всему контуру их поперечного сечения.

Центростремительно-осевые колеса выполняют как полузакрыто­го типа, т.е. с каналами, контур поперечного сечения которых ог­раничен стенками лишь с трех сторон, и закрытого.

Условия работы турбодетандеров для установки разделения воз­духа характеризуются низкой температурой рабочей среды (на вы­ходе из машины температура близка к температуре конденсации), небольшим начальным давлением 0,5÷0,6 МПа. Рабочая среда - большей частью воздух, иногда азот. Массовый расход газа от 0,3 до 14 кг/сек (≈ от 1000 до 50000 кг/час). Степень расши­рения определяется отношением конечного давления к начальному:

Рк

Р0

Рк = ≈ 0,25

 

Изоэнтропныйтермоперепад составляет около 38 Кдж/кг. Объ­емные расходы газа при условиях входа в турбодетандер из-за низкой температуры сравнительно невелики - 60÷3000 м3/час.

Поэтому машины имеют сравнительно небольшие размеры проточной части - даже в турбодетандере ТДР-42-5, предназначенном для самой мощной воздухоразделительной установки, ширина нап­равляющего аппарата не превышает 20 мм. Число оборотов от 5700 до 21000 в минуту. Масса и габариты турбодетендеров по сравнению с другим оборудованием установок небольшие. Адиаба­тический кпд этих машин составляет 80-85 %.

 

Учебный вопрос № 4. Сущность процесса расширения газов с отдачей внешней работы

 

При расширении газа с отдачей внешней работы, выражающейся в перемещении поршня или вращении рабочего колеса турбины, темпе­ратура газа понижается значительно.

Доказано, что наибольшее охлаждение газа происходит тогда, когда процесс осуществляется адиабатически, т.е. без подвода и отнятия теплота от рабочего газа.

На диаграмме S-T (рис. 3) такой процесс изображен вертикальной линией, так как энтропия при этом остается постоян­ной. В реальных условиях адиабатический процесс осуществить нельзя, поскольку неизбежен теплообмен газа со стенками рабо­чей машины, в которой происходит расширение газа. Чем ближе действительный процесс расширения газа к адиабатическому, тем выше охлаждающий аффект.

Для адиабатического расширения идеального газа абсолютные температуры и давления в начале и конце расширения газа связаны следующим соотношением

Т2 / Т1 = (Р2 / Р1)к-1 / к

 

где: Р1 и Т1 – начальные давление и температура;

Р2 и Т1 – конечные давление и температура;

к – показатель кривой (адиабаты) расширения, равный отношению теплоемкостей газа к = СР / СV. Для воздуха к = 1,4.

При более высоком начальном давлении часть воздуха в конце расширения теоретически может переходить в жидкость. Таким образом, данный процесс является эффективным способом охлаждения газа и используется в тех случаях, когда основную часть продуктов разделения воздуха требуется получать в жидком виде, или для покрытия значительных холодопотерь в окружающую среду.

В процессе расширения с отдачей внешней работы реальные га­зы всегда понижают свою температуру. Действительный охлаждаю­щий эффект расширения реального газа как при низких, так и вы­соких начальных температурах получается обычно несколько боль­шим, чем для идеального газа. Однако вблизи критической точки охлаждающий эффект быстро уменьшается с понижением температуры и увеличением давления, и становится значительно ниже, чем для идеального газа.

Рассмотрим физическую сущность данного процесса.

При любом расширении идеальный газ должен производить следующие виды работ:

по преодолению внутренних сил притяжения между молекулами газа;

по преодолению внешнего сопротивления увеличению объема газа при расширении;

внешнюю работу за счет изменения давления газа при рас­ширении.

При дросселировании энергия газа расходуется только на пер­вый и второй виды работы, поэтому степень охлаждения газа нез­начительна. Третий вид работы также производится газом, но это не влияет на понижение температуры, так как работа затрачива­ется на преодоление сил трения при прохождении газа через дрос­сель и расходуемая внутренняя тепловая энергия газа возмещает­ся возникающей теплотой трения.

Иными являются условия при адиабатическом расширении газа в поршневом детандере или турбодетандере. В этом случае третий вид работы отдается наружу как внешняя работа расширения (пе­ремещает поршень или вращает рабочее колесо турбины), а затра­чиваемая на нее внутренняя теплота газа не возмещается поступ­лением извне. Поэтому при расширении с отдачей внешней работы газ охлаждается значительно сильнее, чем при дросселировании, так как его внутренняя энергия расходуется на все три вида ра­боты.

Процесс расширения газа с отдачей внешней работы наиболее эффективен, чем процесс дросселирования.

Пример. При дросселировании сжатого воздуха с 20 до 0,6 МПа удельная холодопроизводительность составляет приблизительно 33 кДж/кг, а температура понижается всего лишь на 40-50 граду­сов.

В случае расширения воздуха в поршневом детандере с 20 до 0,6 МПа с начальной температурой 300°К удельная холодопроизводительность составляет 125–135 кДж/'кг, а температура понижается на I50–160 градусов.

Таким образом, процесс расширения газа с отдачей внешней ра­боты по холодопроизводительности в 3,5–4 раза эффективнее процесса дросселирования.

Как видно из принципа образования холода в детандерах, они могут быть холодильными машинами на любом газе, независимо от его сжимаемости.

Для непрерывного осуществления процесса охлаждения газа в детандерах необходимы следующие агрегаты:

компрессор;

концевой холодильник;

детандер.

Газ сжимается в компрессоре до рабочего давления и охлажда­ется в концевом холодильнике до температуры охлаждающей среды (вода), а затем поступает в детандер. В цилиндре газ расширяет­ся и совершает работу, толкая поршень. На совершение работы затрачивается внутренняя энергия газа, вследствие чего его тем­пература снижается, газ охлаждается. Одновременно при этом часть внутренней энергии затрачивается как и при дросселирова­нии на преодоление межмолекулярных сил сцепления.

Наибольший эффект получается при адиабатном (изоэнтропном) расширении, когда к расширявшемуся в цилиндре газу тепло извне не подводится.

 

Рис. 3. Схема и график процесса расширения газа с отдачей внешней работы

 

 

Действительный процесс является политропным с подводом теп­ла. Тепло к газу подводится через стенки цилиндра из окружаю­щей среды и за счет трения поршня в цилиндре детандера.

 

Учебный вопрос № 5. Характеристика процесса расширения газов

 

Процесс расширения газа с отдачей внешней работы характери­зуется двумя величинам:

холодопроизводительностью процесса Q;

температурой газа в конце процесса расширения Тквн..

Работа адиабатического расширения газа, соответствующая холодопроизводительности процесса, состоит из двух частей. Первая часть – это работа за счет использования внутренних межмолекулярных сил газа. Она проявляется в охлаждающем эффек­те Джоуля-Томсона и выражается разностью энтальпий при давле­ниях Р1 и Р2 и температуре Т1 (рис. 4).

Q1 = i1 – i2

Вторая часть – это внешняя работа детандера вследствие расширения в нем газа. Ее эффект охлаждения выражается уменьшени­ем энтальпии I кг газа при адиабатическом расширения в детан­дере с давления Р2 и температуры Т21 до давления Р1 и температуры T2 по линии 3–4 (рис. 4).

Q2 = i3 – i4

Общая холодопроизводительность процесса с детандером

Q = Q1 + Q2

 

Рис. 4. Схема определения холодопроизводительности процесса с детандером по диаграмме

 

В действительности чисто адиабатический процесс расширения в детандере не протекает, так как невозможно полностью исклю­чить теплообмен между газом и стенками, трение и т.п. Поэтому расширение происходит фактически не по адиабате 3-4, а по какой-то кривой 3-4’ (политропе), и теплоперепад в детандере будет не Q2 , а Q′2 = i3 – i′4, причем Q′2 < Q2, т.е. в детандере получается меньше холода, чем при адиабатическом процес­се.

Вследствие этого температура в конце расширения газа в де­тандере выше, чем при адиабатическом расширении.

Отношение ηад = Q′2/Q2 называется адиабатическим кпд детандера и показывает степень совершенства его работы, т.е. насколь­ко действительный процесс расширения газа в детандере прибли­жается к адиабатическому. Для адиабатического процесса расширения газа величина кпд равна 1, т.е. ηад = 1.

Q = i3 – i′4 = (i3 – i4) ηад

Величина адиабатного кпд детандера лежит обычно в пределах

ηад = 0,65÷0,85

Температура газа в конце расширения может быть определена несколькими способами:

непосредственным измерением (термометрами);

подсчитана по формуле:

Тнач

(Рвач/ Ркон) n-1/ n

Ткон = К,

 

где: Тнач – начальная температура сжатого газа при поступлении его в детандер;

n – показатель политропы процесса расширения;

Рнач/Ркон – перепад давлений в цилиндре детандера. Определяется посредством энтропийной диаграммы, если даны адиабатный кпд и давление в конце расширения.

Для этого вычисляют энтальпию точки конца процесса i′4 = i3 – Q и по двум параметрам Р1 и i′4 определяют точку, через которую проходит искомая изотерма (рис. 4).

Из анализа адиабатного (изоэнтропного) расширения газа можно установись следующее:

температура газа при расширении в любой области всегда понижается; увеличением начальной темепературы возрастает перепад температур и работа расширения (холодопроизводителъность) газа при одном и том же перепаде давлений;

в области высоких давлений изменение температуры, прихо­дящееся на 0,1 МПа изменения давления, меньше, нежели в облас­ти низких давлений;

в области низких температур (близких к критическому сос­тоянию и при состоянии насыщенного пара) интегральный эффект дросселирования и изоэнтропный перепад температур близки меж­ду собой, поэтому расширение газа в детандере может быть заме­нено более простым по осуществлению процессом дросселирования.

Процесс расширения газа при выхлопе, когда происходит быст­рое опорожнение какой-либо емкости и давление в сосуде падает почти мгновенно, также можно считать процессом с совершением внешней работы.

В этом случае газом, выходящим из сосуда, со­вершается работа на преодоление сил внешнего давления Ро. Ве­личину этой работы можно определить:

l = Р0 (Vкон – Vнач)

и соответствующее изменение внутренней энергии (холодопроизводительность в диабатных условиях) будет равна:

Δ U = – Аl = – АР0 (Vкон – Vнач).

Так как U = АРV, то получим

Δi = АРТнач (1 – Ркон/Рнач).

Изменение температуры газа при выхлопе будет равно

1–к

Ркон

Рнач

к

ΔТ = Тнач﴾1 – ﴿

 

Величина изменения температуры ∆Т в этом процессе сущест­венно меньше, чем в случае изоэнтропного расширения в детанде­ре. Этот процесс применяется в так называемых экспансионных охладителях.

 

 

Тема № 4. ГЛУБОКОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ.

Лекция № 1.Глубокое охлаждение и его циклы.

Учебный вопрос № 1. Классификация циклов глубокого охлаждения

 

Для охлаждения и сжижения газов в технике используют холодильные циклы. Холодильным циклом называется замкнутый процесс последовательного сжатия и расширения газа, сопровождающийся его нагреванием и охлаждением.

На сжатие газа затрачивается внешняя механическая работа, которая частично отдается обратно при расширении газа. Во всяком холодильном цикле затрачиваемая работа всегда больше получаемой, так как отнятие теплоты от охлаждаемого тела происходит на более низком температурном уровне, чем передача ее другому телу, являющемуся охладителем.

Перенос теплоты с одного температурного уровня на другой, более высокий, осуществляется с помощью какого-либо рабочего тела. В циклах сжижения воздуха таким рабочим газом (хладоагентом) обычно является тот же воздух. В качестве вспомогательныххладоагентов применяются иногда аммиак или фреон.

В холодильном цикле работа расходуется на сжатие хладоагента в компрессоре. Холодильный цикл замкнут, если начальное и конечное состояние газа в нем совпадают. Для этого отдельные процессы, из которых составляется цикл, должны протекать в определенном порядке. Например, после сжатия газа (в компрессоре) и охлаждения (в водяном холодильнике) должно происходить расширение газа, сопровождающееся понижением его температуры, а затем нагревание газа до первоначальной температуры (в теплообменнике) при постоянном давлении.

Циклы криогенных установок можно подразделить на характерные группы по ряду различительных признаков. Такими признаками могут быть:

назначение установки;

способ получения низких температур;

тип расширительного устройства и др.

По назначению криогенные установки и циклы для них подразделяются на:

холодильные (или рефрижераторные) для получения низкотемпературного холода;

ожижительные для выработки ожиженного газа;

газоразделительные для разделения газовой смеси на составные части.

В циклах каждой из перечисленных характерных групп могут использоваться одни и те же способы получения низких температур, а именно:

эффект Джоуля-Томсона (дросселирование);

эффекты расширения рабочего тела с отдачей и без отдачи работы;

эффекты охлаждения дополнительнымихладоагентами;

специальные эффекты охлаждения, такие, как вихревой эффект, эффект Пельтье, вакуумированиеожиженного газа, десорбционное охлаждение, адиабатное размагничивание и др. В промышленных криогенных установках для получения температур от 120 до 4 К обычно используются первые три способа. Циклы для таких установок качественно отличаются друг от друга числом ступеней (каскадов) и характером процесса расширения рабочего тела, а также типами для осуществления этого процесса.

Все рассматриваемые циклы разделяются на следующие группы:

циклы, в которых все рабочее тело расширяется при дросселировании (установки с дроссельными установками);

циклы, в которых одна часть рабочего тела расширяется в дроссельных устройствах, а другая – в детандерах (установки с дроссельными устройствами и детандерами);

циклы, в которых все рабочее тело расширяется в детандерах (установки с детандерами);

циклы, в процессах расширения которых периодически различным образом изменяется количество рабочего тела в отдельных полостях машины при неизменном общем количестве рабочего тела во всех полостях машины (газовые холодильные машины).

Первые две группы циклов получили распространение в установках для ожижения и разделения газов и для получения холода. Третья и четвертая группа циклов применяются главным образом в установках для получения низкотемпературного холода. Чаще всего машины и установки этой группы работают по так называемому замкнутому газовому холодильному циклу. Циклы четвертой группы используются в газовых холодильных машинах (ГХМ) и существенно отличаются от первых трех. Даже при установившемся режиме работы машины и неизменном общем количестве рабочего тела температуры, давление и количество рабочего тела в отдельных полостях машины циклично изменяются, причем температуры и количество рабочего тела в любой момент времени в отдельных полостях машины различны, а давление во всех рабочих полостях практически одинаково и различается только вследствие влияния гидравлических потерь.

При анализе низкотемпературных циклов используются различные характеристики эффективности цикла. К ним относятся следующие:

количество производимого холода на единицу циркулирующего рабочего тела (удельная холодопроизводительность);

коэффициент ожижения;

удельный расход энергии;

холодильный коэффициент цикла;

термодинамический кпд цикла (сравнение с идеальным циклом) и др.

Удельная холодопроизводительность для цикла с дросселированием рабочего тела (цикл 1-й группы) определяется только величиной изотермического эффекта дросселирования. В простейшем случае, когда нет дополнительного охлаждения и все рабочее тело сжимается от давления Р1 до Р2, удельная холодопроизводительность выразится следующим образом:

q = i1 – i2,

где i1 – i2 – энтальпия расширенного и сжатого газа при температуре сжатого газа после холодильника, установленного за компрессором.

Для циклов, в которых в дроссельном вентиле расширяется только часть рабочего тела М, а вторая часть его (1 – М) проходит детандер (циклы 2-й группы), холодопроизводительность складывается из изменения энтальпии всего количества рабочего тела (1 кг) в процессе изотермического сжатия и холода, получаемого при изоэнтропном расширении (1 – М) кг газа в детандере:

q = (i1 – i2) + (1 – М) ηS,,

где ηS,- адиабатный теплоперепад в детандере.

Холодопроизводительность циклов с расширением всего рабочего тела в детандере (циклы 3-й группы) будет отличаться от холодопроизводительности циклов с частичным детандированием тем, что М=0 и

q = (i1 – i2) + ηS

Удельный расход энергии l0 определяется либо отношением l/q1, либо l/х, где l – энергия, расходуемая в цикле для получения полезной холодопроизводительности в количестве q1 или на получение ожиженного газа в количестве х.

Холодильный коэффициент ε является мерой эффективности охлаждения на единицу затраченной работы:

ε = q1 / l

Отношение холодильного коэффициента реального цикла к таковому идеального цикла принято называть относительным термодинамическим кпдηt.

Тогда по определению:

ηt = ε / εu

При сравнении циклов полезная холодопроизводительность в них должна быть одинакова, поэтому термодинамический кпд может быть определен как отношение работ

ηt = lи / l,

где lи – работа, затрачиваемая в идеальном (без потерь) цикла.

В реальном цикле помимо возможного отклонения протекающих процессов от обратимых приходится считаться со свойствами рабочего тела. Хотя во многих случаях заменой одного рабочего тела. Хотя во многих случаях заменой одного рабочего тела другим не удается значительно изменить эффективность цикла, конкретные свойства и особенности реального рабочего тела в действительных циклах имеют существенное значение.

 

Учебный вопрос № 2. Абсорбционная холодильная установка

 

Работа такой установки основана на способности некоторых тел (например, воды) абсорбировать (поглощать) холодильный агент (например, NН3). При выборе сорбента и сорбируемого ве­щества важно обеспечить наиболее резкую разницу в температурах кипения при одинаковых давлениях. При этом в процессе погло­щения (растворения) NНз выделяется теплота, которая отводит­ся водой.

Работа установки сводится к следующему (рис. 1). Из конден­сатора 1 холодильный агент (жидкий NH3) поступает в вентиль 2, где дросселируется, а холодные пары аммиака при низкой сте­пени сухости (х ≈ 0,22) поступают в испаритель 3, где охлаждают рассол (раствор NНз) и уходят из испарителя в виде насыщенного пара (х = 1). В абсорбере 4 (куда пары NНз по­падают из испарителя) пары NH3 поглощаются водоаммиачным раствором, при этом выделяется теплота растворения, которая отводится охлаждающей водой.

 

Р=8,74; t=20˚С 6

 

15˚С

 

18˚С

 

 

Р=2,97

 

3 6

-8˚С - -5˚С -8˚С

 

 

Рис. 1. Абсорбционная холодильная установка

конденсатор; 2 – вентиль; 3 – испаритель; 4 – адсорбер; 5 – насос;

6 – кипятильник (генератор); 7 – насос; 8 – холодильная камера

 

Из абсорбера концентрированный раствор NНз насосом 5 подается в кипятильник (генератор) 6, где в результате подвода тепла NНз из раствора выделяется и в виде пара поступает в конденсатор 1, где и обращается в жидкость, и цикл замыкается. Слабый раствор NНз, пройдя редук­ционный вентиль, снова поступает в абсорбер, там он обогащается (насыщается) аммиаком. Охлажденный рассол из испарителя на­сосом 7 подается в холодильную камеру 8, где и отдает свой холод телам (продуктам), подвергаемым охлаждению. Давление па­ров NНз в кипятильнике соответствует температуре охлаждаю­щей воды в конденсаторе. Холодильный коэффициент данной уста­новки определяется выражением ε = q2/q1,

где q2 - тепло, отнимаемое от охлаждаемых тел в холодильной камере;

q1 - расход тепла в генераторе (кипятильнике).

Учебный вопрос № 3. Пароэжекторная холодильная установка

Работа установки состоит в следующем: пары хладоагента (рис. 2) (например, NНз) поступают из парогенератора в соп­ло 1, где давление его снижается, а скорость возрастает. В ка­мере смешения 2 получается вакуум, поэтому из холодильной ка­меры 3 (вернее из трубчатки, расположенной в камере) подсасываются пары аммиака, которые вместе с основным потоком пара, проходя через диффузор 4, снижают свою скорость; при этом по выходе из диффузора давление па­ров NНз повышается. Вс­ледствие отвода паров NНз из холодильной камеры в ней происходит испарение NНз, в ре­зультате чего в камере понижается температура. Сжатый пар NНз, иду­щий из эжектора, проходит конденсатор 5, где и конденсируется за счет охлаждающей воды. По выходе из конденсатора часть жидкости 6 подается в генератор пара, а часть нап­равляется в редукционный вентиль 7 и далее частично в виде паpa поступает в испаритель (т.е. холодильную камеру 3), где испарение NНз способствует охлаждению тел, помещенных в ка­мере.

 

В парогенератор

4 1

Пар

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Схема пароэжекторной холодильной установки1 – сопло; 2 – камера смешения; 3 – холодильная камера; 4 – диффузор; 5, 6 – конденсаторы; 7 – редукционный вентиль

 

Если говорить только о той части жидкости, которая является холодильным агентом, то работа равнозначна с паровой компрессорной установкой.

Подобные установки имеют распространение в химической про­мышленности. Они компактны, просты и надежны в работе.

 

Учебный вопрос № 4. Газовые холодильные машины

Газовые холодильные машины (ГХМ) получили широкое применение благодаря компактности и эффективности. Они относятся к классу поршневых. Характерной особенностью ГХМ является то, изменяющиеся объемы полостей расширения и сжатия постоянно гидравлически связаны с объемами теплообменных аппаратов.

В теплообменных аппаратах ГХМ производится регенерация теплоты, подвод и отвод теплоты от рабочего газа машины к внешним тепловым источникам. Блок теплообменных аппаратов ГХМ, как правило, состоит из одного или нескольких аппаратов внешнего теплообмена (АВТ) и одного или нескольких регенераторов. АВТ предназначены для передачи теплоты от среды с более высокой температурой к среде с низкой температурой, т.е. для обеспечения связи рабочего газа машины с внешними тепловыми источниками.

Регенератор в ГХМ является обязательным элементом и выполняет роль своеобразного «теплового аккумулятора», который попеременно получает и отдает теплоту протекающему через аппарат рабочему газу. Этот «тепловой аккумулятор» обладает специфическим свойствами: значительным перепадом температур на концах. зависящим от температур внешних тепловых источников; большой тепловой нагрузкой; высокой эффективностью передачи теплоты.

Принцип действия газовой холодильной машины рассмотрим на примере одного из вариантов конструкции машины Стирлинга, схема работы которой приведена на рис. 3.

 

Р

2 Т

 

qн2 о

2 1

qн2 о Т0

 

Т0

3 1 V2 V1

 

 

q Т

Т 3 4

Рmin 4 q

V2 V1 SV

а)qн2 о – теплота, отводимая в холодильнике в окружающую среду; q – теплота, подводимая в охладителе и передаваемая в полость расширения.

 

Р

Р

Р

Р

Т0 qН2О Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q

 

1 1

 

2 2

 

3 3

4 4

 

 

1 1

 

НМТ ВМТ ВМТ НМТ

SК SД

 

б)

 

Рис. 3. Обратный (холодильный) цикл Стирлинга:

а – диаграммы р-v и Т-s; б – схема реализации в поршневой машине с двумя поршнями, регенератором, Р, холодильником и охладителем.

 

В замкнутом цикле Стирлинга рабочее тело совершает круговой процесс, состоящий из двух изохор и двух изотерм. Теплота отводится из цикла в окружающую среду при температуре Т0 в процессе сжатия, а теплота от охлаждаемого тела передается в цикл при температуре Т в процессе расширения. Регенерация теплоты в цикле осуществляется теоретически в процессе v=const.

Два поршня движутся в цилиндре прерывисто с углом сдвига по фазе β. В рабочем пространстве между поршнями размещен регенератор Р, который делит рабочую полость на две части – теплую и холодную. Иногда их условно называют полостями сжатия и расширения. В теплой полости поддерживается постоянной температура Т0 за счет отвода теплоты qН2О в холодильнике. В холодной полости температура Т постоянна (за счет подвода теплоты q через охладитель).

 

 

Групповое занятие № 2. Основные способы получения холода.

Учебный вопрос № 1. Основные способы получения холода, используемые в действительных циклах глубокого охлаждения

 

Процессы глубокого охлаждения, непосредственно связанные с разделением воздуха, имеют регенеративный характер и вклю­чение их в холодильный цикл принципиально не противоречит термодинамически правильному направлению в его построении.

Совмещение холодиль­ного цикла и процессов, связанных с разделением, значительно упрощает весь технический комплекс ус­тановки разделения воздуха. Положительной стороной такого совмещения является также то, что исключаются потери холода, которые дополнительно имелись бы в отдельном холодильном цикле. Поэтому в циклах глубокого охлаждения возцухоразделительных установок в качестве хладоагента большей частью ис­пользуется сам перерабатываемый воздух. Посторонние хладоагенты применяют обычно только в случаях включения в общую техно­логическую схему промежуточных холодильных циклов на промежу­точных температурных уровнях. В некоторых случаях часть воз­духа /или выделенной из него фракции/ является хладоагентом в дополнительном холодильном циркуляционном цикле.

При сравнительной оценке холодильных циклов для упрощения анализа их рассматривают как воздушные циклы с параметрами, соответствующий, в основном конечной цели их построения. При этом приближенно принимают, что процессы отдачи холода во внешнюю среду и регенерации (рекуперации) холода происходят по изобаре исходного (атмосферного) давления. Задача создания необходимого холода сводится, очевидно, к соответствующему уменьшению энтальпии перерабатываемого воздуха. Организация остальной части цикла должна быть такой, чтобы это уменьшение энтальпии в конечном счете могло быть реализовано на замыкаю­щей цикл изобаре атмосферного давления.

Для уменьшения энтальпии воздуха применяют два основных способа.

Использование расширительной машины (детандера).

Вклю­чение в цикл процесса изоэнтропийного расширения с совершени­ем внешней работы, как следует из анализа обращенного цикла Карно, является наиболее правильным направлением при решении поставленной задачи. При этом процессе происходит понижение температуры расширяющегося газа и он, очевидно, может быть использован как хладагент - для отвода тепла. Уменьшение энтальпии газа, получающееся при адиабатном расширении и опреде­ляющее, согласно сказанному выше, количество созданного холода, равно совершаемой газом работе. Температурный уровень по­лученного холода определяется теми температурами, между кото­рыми происходит последующий нагрев хладоагента и повышение его энтальпии по замыкающей цикл изобаре конечного давления расширения.

Принцип построения холодильного цикла с расширительной ма­шиной (детандером) показан на рисунке 1 и 2.

 

 

Т

 

 

1 2

 

2 1 Т1

 

 

 

S 0

 

 

Рис. 1. Схема холодильного цикла Рис. 2. Изображение в диаграмме

1 - компрессор; 2- холодильник; S–Тхолодильного цикла.

3 – детандер; 4 – холодоприемник

 

Сжатый газ, охлажденный водой, поступает в детандер и после расширения в нем направляется в холодоприемник, где используется в качестве хладоагента; в замкнутом цикле газ после хладоприемника вновь поступает в компрессор. В теоретическом случае сжатие предполагается изотермическим, расширение изоэнтропийным и холодоотдача – с нагревом газа до исходной температуры.

В диаграмме S–Т (рис. 2) линиями 1–2, 2–3 и 3–1 показано протекание цикла в идеальном случае; линия 1–2 соответствует изотермическому сжатию, линия 2–3 – изоэнтропийному расширению и линия 3–1 – нагреву газа при холодоотдаче. В действительности протекание всех процессов в цикле существенно отличается от теоретического, что характеризуется соответствующими кпд и потерями холода. Эти отступления тщательно анализируют, так как они приводят, например, к тому, что воздушная ходильная машина, построенная по указанному выше принципу, при относительно небольшом давлении сжатия оказывается значи­тельно менее экономичной, чем равная ей по холодопроизводительности паровая компрессорная холодильная машина, в которой холод получается на низком температурном уровне, т.е. более ценный.

Первые воздушные холодильные машины были построены во вто­рой половине прошлого столетия, но вследствие своей неэконо­мичности были вытеснены паровыми компрессионными машинами и сейчас применяются только в тех случаях, когда основное зна­чение имеет удобство использования воздуха в качестве охлаж­дающей среды.

Холод при намеченном выше построении цикла получается на высоком температурном уровне. Понизить этот уровень можно включением теплообменника, использованием процесса регенерации (рис. 3 и 4).

 

Т

 

 

2 1 Т1

 

 

3 5

3 5

 

 

 

 

0 S

Рис. 3. Схема холодильного цикла с Рис. 4. Изображение в

теплообменником и детандером диаграмме S–Т

1 - компрессор; 2- холодильник холодильного цикла

3 – теплообменник; 4 -детандер; (теоретического)

5 – холодоприемник с детандером

 

В этом случае холод получается на более низком температур­ном уровне, и экономичность цикла значительно повышается (под­робнее будет показано ниже). Развивая теплообмен, можно получать холод на все более низком температурном уровне. Это направление, намеченное еще в конце прошлого столетия, своевре­менно не получило развития в связи с тем, что, по-видимому, из-за неудачных конструктивных решений не удавалось дойти до температур ниже -95°С, и на первой промышленной установке в воздушном холодильном цикле для сжижения газа был использован эффект Джоуля-Томсона.

 

Использование эффекта Джоуля-Томсона.

Эффект Джоуля-Том­сона выражается в том, что при дросселировании сжатого возду­ха, т.е. в адиабатном его расширении без совершения внешней работы, в интересующей нас области давлений и температур про­исходит понижение его температуры. Расширенный до начального давления воздух при последующем его нагреве может быть использован как хладоагент для понижения температуры другого тела или системы. Определяется этот эффект тем, что при данном температурном уровне энтальпия сжатого воздуха меньше, чем при начальном давлении. Количество тепла, которое может быть в пределе, подведено к расширенному воздуху, т.е. количество располагаемого холода равно понижению энтальпии сжатого воздуха (рис.

 

5).

 

ТР1

i1

i2 Р1

Т1 1

 

Т2

 

S

 

 

Рис 5. Характеристика эффекта дросселирования в диаграмме S–Т

 

Количество располагаемого холода характеризуется заштрихованной площадкой и определяется, очевид­но, понижением энтальпии при сжа­тии на исходном температурном уровне.

Как будет рассмотрено ниже, и в данном случае, путем включения в цикл регенеративного теплообме­на можно снизить температурный уровень получаемого холода.

На этом принципе и был основан простой холодильный цикл с дросселированием, использованный Линде в первой установке для сжижения воздуха и нашедший широкое применение в промышленности, несмотря на термодинамически очевидную его низкую эффек­тивность. Решающим фактором в данном случае была практическая осуществимость такого цикла.

 

 

Учебный вопрос № 2. Холодильные циклы с дросселированием

 

Циклы с дросселированием рабочего тела находят применение для получения низкотемпературного холода, для ожижения различных газов и создания условий для разделения газовых смесей на составные части методами ректификации, конденсации и адсорбции.

В криогенных установках используются различные циклы с дросселированием. Основные из них следующие:

с простым дросселированием (без охлаждения и с промежуточным охлаждением);

с двойным дросселированием (без охлаждения и с промежуточным охлаждением);

двух давлений (без охлаждения и с промежуточным охлаждением).

 

1. Холодильный цикл с дросселированием воздуха

 

Холодильный цикл с простым дросселированием основан на использовании эффекта Джоуля-Томсона и состоит в том, что при дросселировании реальных газов происходит изменение их температуры. Этот цикл впервые применен Линде в конце прошлого века в установке для получения жидкого воздуха.

Если рассматривать газовое состояние, то оно делится инверсионной кривой на две области: область, в которой происходит понижение температуры газа в процессе дросселирования, и область, где температура газа в этом процессе повышается.

Холодильный эффект при использовании процесса дросселирования может быть получентолько в области, где дросселирование сопровождается понижением температуры газа. Мы будем рассматривать при изучении газовых холодильных циклов только эту область состояний.

Чтобы осуществить получение низких температур дросселированием сжатого газа, необходимо понизить температуру газа перед дроссельным вентилем. Для этого в установку включают теплообменный аппарат.

Схема холодильного цикла с дросселированием и его изображение на диаграмме S–Т показаны на рис. 1 и 2.

Воздух сжимается в компрессоре 1 до давления Р2, охлаждается в холодильнике 2 с проточной водой и направляется в трубки противоточного теплообменника 3, где происходит его дальнейшее охлаждение обратным потоком холодного газа из ожижителя 4. Охлажденный сжатый воздух расширяется в дроссельном вентиле 5. При этом он дополнительно охлаждается, частично сжимается и собирается в ожижителе 4. Остальная часть воздуха, оставшаяся в газообразном состоянии, но имеющая очень низкую температуру, проходит между трубками теплообменника 3, охлаждая поступающий по трубкам сжатый воздух и сама нагреваясь.

 

 

Р = const

Т1= const

i = const

Энтропия S, ккал/ (кг·град)

Р2 = соnst

Р1 = const

2 Т

Вода Вода Т2 2

 

Т1 3 1

 

 

Т1´ 1´

 

 

3 Т4

 

0 6

 

Рис. 2. Цикл с дросселированием на

диаграмме S–Т

 

Рис. 1. Схема цикла с простым

дросселированием

 

 

При пуске в работу холодильной установки охлаждение воздуха до температуры, соответствующей началу его сжижения, происходит не сразу, а постепенно.

Рассмотрим более детально по диаграмме S–Т установившийся процесс с дросселированием. Сжатие воздуха в компрессоре с давлением Р1 до давления Р2 происходит по линии 1–2. Теплота сжатия, соответствующая разности энтальпий воздуха в точках 2 и 3, передается воде холодильников компрессора. Принимается, что воздух после холодильника имеет ту же температуру, что и до сжатия в точке 1, поэтому можно считать, что сжатие воздуха происходит по изотерме 1–2, т.е. Т3 = Т1. Из точки 3 воздух, сжатый до давления Р2, проходит теплообменник, где его температуры при постоянном давлении Р2=const понижается до Т4. Этот процесс протекает по изобаре 3–4. С давлением Р2 и температурой Т4 воздух поступает к дроссельному вентилю. Процесс дросселирования происходит, как указывалось, при постоянной энтальпии, т.е. по линии 4–5, на которой i = const. Дросселирование заканчивается в точке 5, лежащей на линии 0–6, соответствующей давлению жидкости Р1=const. Отрезок 5–6 дает возможность определить количество жидкости (в % от массы перерабатываемого воздуха), как отношение: 5–6

0–6

Изобара 6–1 соответствует процессу нагревания в теплообменнике воздуха, уходящего из установки.

С понижением давления холодопроизводительность уменьшается настолько, что влияние потерь холода становится очень заметным и количество жидкого воздуха сильно уменьшается. Ввиду того, что потери холода всегда имеются, покрыть эти потери сжижением воздуха при абсолютных давлениях сжатия ниже 60 кгс/см2 в этом цикле практически нельзя. Тем не менее цикл с дросселированием ввиду его крайней простоты весьма широко применяется в холодильных процессах кислородных и азотных установок.

Недостатком цикла с дросселированием является относительно высокий удельный расход энергии, а также необходимость применения воздуха высокого давления. По данному циклу (в его простейшем виде) обычно работают установки малой и средней производительности для получения газообразного кислорода. В этих установках холодильный цикл с дросселированием служит для покрытия потерь холода в кислородном аппарате.

 

2. Холодильный цикл с дросселированием и предварительным охлаждением воздуха.

Предварительное охлаждение воздуха перед теплообменником улучшает показатели холодильного цикла с дросселированием примерно в 2–3 раза. Чем ниже температура сжатого воздуха на теплом конце теплообменника, тем выше холодопроизводительность цикла при дросселировании и тем больше получается холода при той же затрате работы.

Количество жидкого воздуха увеличивается в данном случае еще и потому, что необходимое для сжижения количество холода снижается вследствие уменьшения энтальпии воздуха после предварительного охлаждения. Поэтому разработан цикл с предварительным охлаждением воздуха перед теплообменником с помощью аммиачной холодильной установки до -40–45°С. Затрата энергии в аммиачном холодильном цикле невелика, и получаемый при этом холод обходится относительно недорого.

В данном цикле (рис. 3) воздух сжимается компрессором, охлаждается водой в холодильниках и по трубе 2 поступает в предварительный теплообменник 3, где охлаждается дросселированым воздухом. Затем воздух направляется в аммиачный теплообменник 4 для охлаждения аммиаком, поступающим из аммиачного компрессора 5 через конденсатор 6. Из аммиачного теплообменника воздух направляется в основной противоточный теплообменник 7, охлаждается дросселированным воздухом и, пройдя дроссельный вентиль 8, частично сжижается и накапливается в резервуаре 9 – отсюда жидкий воздух сливается через кран 10.

Оставшаяся несжиженной после дроссельного вентиля 8 часть воздуха отводится из резервуара 9 по трубе 11 противотоком сжатому воздуху в основной (7) и затем в предварительный (3) теплообменники для охлаждения сжатого воздуха, поступающего на дросселирование. Аммиачный теплообменник размещается между предварительным и основным теплообменниками для того, чтобы полнее использовать холод дросселированного воздуха. Если исключить предварительный теплообменник, дросселированный воздух будет нагреваться только до температуры сжатого воздуха, при которой он отводится из аммиачного теплообменника, т.е. до -40°С, и значительная часть холода дросселированного воздуха останется неиспользованной.

На диаграмме S–Т для этого цикла (рис. 4) показаны состояния: воздуха перед компрессором – точка 1; воздуха после компрессора – точка 3; воздуха при входе в аммиачный теплообменник, т.е. после предварительного теплообменника – точка 3а; воздуха после аммиачного теплообменника – точка 3´; воздуха перед дросселем – точка 4; воздуха после дросселя – точка 5; жидкого воздуха в сборнике – точка 0; паров холодного дросселирования воздуха (обратный поток) перед основным теплообменником – точка 6; обратного потока воздуха после основного теплообменника – точка 1´.

 

ЭнтропияS, ккал/(кг· град)

Т1

3а

Т΄1

0 5 6

2 1

3 Т

3 1

 

Т3

 

3΄ 1΄

 

Т4

8 Т0

 

 

 

 

Рис. 4. Цикл с дросселированием и предварительным охлаждением Рис. 3. Схема цикла с дросселированием воздуха на диаграмме S–T и предварительным охлаждением воздуха

 

 

 

Групповое занятие № 2. Холодильные циклы с расширением воздуха в детандерах

 

Холодильные циклы с расширением воздуха в детандере являются наиболее экономичными из всех циклов получения жидкого воздуха и характеризуются меньшей затратой энергии на получение 1 кг жидкого воздуха, в то же время обеспечивается наибольший выход жидкого воздуха по отношению к количеству перерабатываемого воздуха.

Поэтому данные циклы положены в основу работы всех современных газодобывающих станций, стоящих на вооружении ВВС.

Естественно, что данные циклы используются не в чистом виде, а в комплексе с дополнительными процессами, которые направлены на обеспечение максимальной экономичности циклов.

В воздухоразделительных установках для промышленного производства кислорода и азота используются различные холодильные циклы с расширением воздуха в детандере. Основные из них следующие:

цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере;

цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере;

цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы).

 

Учебный вопрос № 1. Холодильный цикл среднего давления с расширением воздуха в поршневом детандере

 

Схема цикла среднего давления с поршневым детандером изображена на рис. 1. Воздух сжимается в компрессоре 1 до абсолютного давления 0,2–0,4 Мпа и, пройдя через змеевик водяного холодильника 2, поступает в теплообменники 3 и 4. После теплообменника 3 часть воздуха (примерно 70–80 %) отводится в цилиндр поршневого детандера 6. Сжатый и охлажденный в предварительном теплообменнике 3 воздух, расширяясь до абсолютного давления 0,1 Мпа, толкает поршень детандера и, производя при этом внешнюю работу, сильно охлаждается.

После расширения и охлаждения в детандере воздух выводится наружу через теплообменники 4 и 3, охлаждая поступающий сжатый воздух. Часть сжатого воздуха, не прошедшая через детандер (примерно 20–30 %), поступает к дроссельному вентилю 5 и, сжижаясь после дросселирования, накапливается в сборнике 7, откуда сливается через вентиль 8. Несжижившаяся часть воздуха из сборника 7 направляется в теплообменники 4 и 3.

Количество холода, получаемое в цикле с детандером, зависит от давления сжатия, температуры и количества воздуха, направляемого в детандер. Чем меньше давление сжатия, тем более низкую температуру должен иметь воздух перед детандером и тем большее количество воздуха должно направляться в детандер.

Диаграмма S–Т для цикла среднего давления с детандером показана на рис. 2. Воздух, сжатый изотермически при Т1 по линии 1–2, охлаждается под давлением Р2 в теплообменнике 3 до температуры Т3. В точке 3 часть воздуха

70-80 % воздуха

20-30 % воздуха

Вода

Вода

100 % воздуха

Т6

0 5 6´ i0iх

Т

Т1

i2 i1

 

Т3

i3

 

4 Т4

6 6

7 Т0 6´´ i6

 

8 Энтропия S, ккал/(кг·град)

 

 

идет в детандер, где расширяется по линии 3–6 до давления Р4, охлаждаясь при этом до Т6. По линии 6–1 в теплообменниках, основном 4 и предварительном 3, происходит передача холода потоку сжатого воздуха от воздуха после детандера. Остальная часть сжатого воздуха по линии 3–4 охлаждается в основном теплообменнике и в точке 4 по линии 4–5 (i = const) дросселируется и сжижается, а затем выводится из сборника. Несжижившаяся часть воздуха отводится через теплообменники 4 и 3, где смешивается с воздухом из детандера, охлаждая сжатый воздух по линии 6–1.

Несмотря на то, что в цикле с детандером допустимы более низкие давления сжатия, чем в цикле с дросселированием, и, казалось бы, возможно получение жидкого воздуха весьма экономичным способом, тем не менее расход энергии на 1 кг перерабатываемого воздуха незначительно отличается от расхода в цикле с дросселированием и аммиачным охлаждением. Это объясняется тем, что в цикле с детандером возникают дополнительные потери холода в поршневом детандере и потери в результате неполного использования работы расширяющего в нем воздуха. Практически удельный расход энергии в цикле с детандером равен расходу энергии в цикле двух давлений с дросселированием и предварительным аммиачным охлаждением.

Разработан также цикл с последовательным расширением воздуха в двухступенчатом детандере. Такие циклы со ступенчатым расширением воздуха и использованием одного или нескольких детандеров иногда применяются в крупных установках для сжижения гелия.

 

Учебный вопрос № 2. Холодильный цикл высокого давления с расширением воздуха в поршневом детандере

 

Холодильный цикл высокого давления с поршневым детандером является видоизменением цикла среднего давления с детандером. Отличие заключается в том, что в цикле высокого давления не требуется предварительное охлаждение воздуха перед детандером до низких температур. Это является определенным преимуществом, если учесть трудности смазки цилиндра детандера при низкой температуре поступающего в него воздуха.

Схема цикла высокого давления с детандером и диаграмма для него представлены на рис. 3 и 4.

Т3

0 6 3´

1-х

1 кг

Энтропия S, ккал/(кг ·град)

Вода

 

1 кг Т

2 1

2 1 Т1

М i2 i1

 

1–М

3 1–х

Т4 4

1-М

i3

 

1–М–х

 

Рис. 4. Цикл высокого давления с расширениемвоздуха в детандере на диаграмме S–Т

Рис. 3. Схема цикла высокого давленияс расширением воздуха в детандере

 

Воздух сжимается до абсолютного давления 18-20 МПа в компрессоре 1 и, пройдя через водяной холодильник 2, распределяется на две примерно равной части. Одна часть (М) направляется в детандер 3, расширяется в нем до абсолютного давления 0,1 МПа и, охладившись, направляется в основной теплообменник 4, по которому проходит обратным потоком, охлаждая вторую часть сжатого воздуха (1–М), поступающего из компрессора. Эта часть воздуха после теплообменника 4 поступает в дополнительный теплообменник 5, где охлаждается дросселированным воздухом, и подводится к дроссельному вентилю 6, пройдя который частично сжимается и собирается в сосуде 7. Из сосуда 7 жидкий воздух выводится через вентиль 8. Несжижившийся воздух в количестве 1–М–х направляется обратно в теплообменники 5 и 4, где охлаждает поступающий через них сжатый воздух. Через теплообменник 5 обратным потоком проходит воздух в количестве (1–М–х+М)=(1–х). В рассматриваемом цикле, также как и в предыдущем, существует наивыгоднейшее соотношение между количеством воздуха, идущего в детандер, и давлением сжатия. При абсолютном давлении 20 МПа наименьший расход энергии на 1 кг жидкого воздуха получается примерно при М=0,5, т.е. когда в детандер поступает около 50 % подаваемого компрессором воздуха, а другая половина расширяется в дроссельном вентиле.

Цикл высокого давления с детандером является наиболее экономичным из всех циклов получения жидкого воздуха и характеризуется наименьшей затратой энергии на получение 1 кг жидкого воздуха; в то же время обеспечивается наибольший выход жидкого воздуха по отношению к количеству перерабатываемого воздуха.

В установках для получения жидкого кислорода применяют также цикл высокого давления с детандером и предварительным охлаждением воздуха перед детандером до минус 35-40ºС. При этом для предупреждения возможной конденсации воздуха в детандере в конце процесса расширения абсолютное рабочее давление должно быть снижено до 16-17 МПа. Охлаждение сжатого воздуха перед детандером производится воздухом, расширившимся в детандере, аналогично тому, как это принято в цикле среднего давления с детандером. В этих условиях возможна осушка воздуха вымораживанием влаги в теплообменниках.

По расходу энергии на 1 кг жидкого продукта оба процесса равноценны.

 

Учебный вопрос № 3. Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы)

 

Холодильный цикл, разработанный академиком П. Л. Капицей в 1939 г., основан на применении воздуха низкого давления и получении необходимого холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (так называемом турбодетандере) с производством внешней работы. Схема холодильного цикла Капицы и диаграмма S–Т цикла даны на рис. 5 и 6.

Т3

Вода

Вода

100% воздуха

3 3´

Т5

2

Т

 

Т1 2 1

 

 

 

 

5% воздуха

 

95% воздуха

 

 

Энтропия S, ккал/(кг ·град)

 

Рис. 6. Цикл низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере с расширением воздуха в турбодетандере на диаграмме S–Т

Рис. 5. Схема цикла низкого

Воздух сжимается до абсолютного давления Р2=0,6–0,7 МПа в турбокомпрессоре 1, охлаждается водой в холодильнике 2 и поступает в регенераторы (теплообменники) 3, где охлаждается обратным потоком холодного воздуха. На схеме условно показан один регенератор, в действительности их два, три и больше.

Основная часть воздуха (около 95 %) после регенераторов направляется в турбодетандер 4, расширяясь в нем до начального абсолютного давления Р1= 0,1 МПа с производством внешней работы и при этом охлаждается почти до начала конденсации. Расширившийся в турбодетандере воздух подается в трубное пространство конденсатора 5 и конденсирует остальную часть сжатого воздуха (5 %), поступающего в межтрубное пространство. Из конденсатора 5 основной поток воздуха направляется противотоком в регенераторы и охлаждает их насадку, которая после переключения потоков охлаждает поступающий сжатый воздух. Жидкий воздух из конденсатора через дроссельный вентиль 6 перепускается в сборник жидкого воздуха 7, откуда сливается через вентиль 8.

Из диаграммы S–Т этого цикла (рис. 5) изотермическое сжатие воздуха до абсолютного давления Р2 изображается горизонтальной линией 1–2, а охлаждение в регенераторах до состояния 3 – изобарой 2–3, соответствующей давлению Р2. По линии 3–4 происходит расширение воздуха в турбодетандере до абсолютного давления Р1, причем линия 3–4´ соответствует адиабатическому процессу расширения, а линия 3–4 – действительному. Конденсация оставшейся части воздуха, не проходившей через турбодетандер, протекает по линии 3–5–6. Линия постоянной энтальпии 6–7 соответствует процессу дросселирования воздуха смешиваются с потоком воздуха из турбодетандера и через трубки конденсатора поступают в регенератор, охлаждая его насадку; при этом они сами нагреваются до первоначальной температуры Т1 по линии 7–4–1 постоянного давления Р1.

Холодильный цикл организован таким образом, что наивыгоднейшее распределение воздуха между детандером и конденсатором происходит самопроизвольно, соответственно холодопотерям. Количество воздуха, поступающее на расширение в турбодетандере, определяется его пропускной способностью при данном давлении и температуре, т.е. холодопроизводительностью установки в целом.

Турбодетандер фактически является основной холодопроизводящей машиной, поскольку в данном цикле холодильным эффектом дросселирования с абсолютного давления Р2 можно пренебречь ввиду его малой величины по сравнению с холодопроизводительностью турбодетандера. Избыток производимого холода после покрытия потерь через изоляцию и от недорекуперации в регенераторах идет на сжижение воздуха.

Использование для сжатия и расширения воздуха турбомашин (турбокомпрессора и турбодетандера) с высоким кпд дает возможность создавать на базе этого цикла установки для получения больших количеств жидкого воздуха, жидкого азота или жидкого кислорода значительно большей производительности, чем при использовании поршневых машин. В цикле низкого давления существенно упрощается технологическая схема, облегчается обслуживание, повышаются надежность работы и взрывобезопасность установки.

Применение цикла одного низкого давления (моноцикла) в установках для получения газообразных продуктов разделения воздуха открыло большие возможности для создания агрегатов высокой производительности. Стоимость кислорода, получаемого на таких установках, настолько снизилась, что стало рентабельным использование его при получении чугуна, стали, многих продуктов химической промышленности и т.д.

Таким образом, можно сказать, что в результате осуществления указанного холодильного цикла с применением высокоэффективных турбокомпрессоров и турбодетандеров, регенераторов, а также усовершенствования ряда других аппаратов удалось достигнуть современных масштабов промышленного производства кислорода, азота и аргона.

Недостатком цикла является небольшой выход жидкого продукта и значительная доля потерь холода, связанная с большим количеством перерабатываемого воздуха. При работе на жидкий кислород выход будет еще меньше вследствие необходимости обеспечения достаточного количества флегмы для ректификационного аппарата и связанного с этим требованием уменьшения количества воздуха, направляемого в турбодетандер. С другой стороны, в крупных установках, предназначенных для получения жидкого кислорода, могут быть снижены потери в окружающую среду и на недорекуперацию. Удельный расход энергии в таких установках может соответственно составить 5000–5750 кДж на 1 кг жидкого кислорода.

Заметное увеличение выхода жидкого продукта и уменьшение удельного расхода энергии может быть получено с повышением давления сжатия. Так, например, при давлении 15 кгс/см2 количество жидкого воздуха увеличивается примерно в два раза, а удельный расход энергии уменьшается на 25 %. При работе на жидкий кислород с одним турбодетандером предел целесообразного повышения давления определяется ограничениями, накладываемыми процессом ректификации.

Очевидной становится целесообразность включения дополнительного турбодетандера для срабатывания излишнего перепада давления, причем на температурном уровне более высоком, чем определяемый требованием получения в конце расширения сухого насыщенного пара.

Изменить показатели цикла в благоприятную сторону можно также, если ввести относительно небольшую дополнительную ветвь воздуха высокого давления с предварительным охлаждением, направить весь этот воздух на расширение в детандер и присоединить его затем к потоку низкого давления.

Таким путем в цикл может быть введено значительное количество холода на более высоком уровне, чем получаемый в основном цикле, и последний принципиально целесообразнее будет использован.

Расчет показывает, что если, например, ввести дополнительно 10 % воздуха с давлением 20 МПа, охлажденного (аммиаком или фреоном) до 250–230 К, то выход жидкого продукта увеличится на 80–90 %, а удельный расход энергии уменьшится примерно на 30 %.

Это видоизменение циклов потребует, конечно, соответствующего увеличения теплообменных поверхностей и является по существу переходом к циклу двух давлений.

В крупных установках, характеризующихся относительно небольшими потерями в окружающую среду и на недорекуперацию и предназначенных для получения газообразных продуктов разделения, цикл низкого давления с турбодетандером является основным холодильным циклом.

 

 

Тема № 5. Ректификация.

Лекция № 1. Процессы испарения и конденсации.

Учебный вопрос № 1. Общая характеристика процессов испарения и конденсации

 

Процессы низкотемпературного охлаждения широко используются в технике разделения газовых смесей, а также для очистки газов. Кислород, азот, неон, аргон, криптон и ксенон получаются низкотемпературной ректификацией жидкого воздуха.

Большинство разделяемых газовых смесей содержит значительное количество компонентов. Воздух, как известно, представляет сложную смесь состава, указанного в табл. 1.

 

Таблица 1

Газ	Содержание по объему, %	Газ	Содержание по объему, %
Азот	78,084	Гелий	5,239 · 10-4
Кислород	20,946	Криптон	1,14 · 10-4
Аргон	0,934	Водород	0,5 · 10-4
Двуокись кислорода	0,033	Ксенон	0,086 · 10-4
Неон	1,818 · 10-3	Озон	0,01 · 10-4

 

Основными компонентами, входящими в состав воздуха, являются азот и кислород. Поэтому для упрощения расчетов иногда рассматривают воздух как бинарную смесь, состоящую из 79,1 объемных % азота и 20,9 объемных % кислорода (в установках для получения кислорода с содержанием менее 96 %).

Неон, гелий, криптон и ксенон не влияют на процесс ректификации в связи с очень малым содержанием их в воздухе и со значительным отличием их температур кипения от температуры кипения основных компонентов – азота и кислорода. Количество этих редких газов учитывается лишь в том случае, когда их извлекают из воздуха. Аргон же, несмотря на его небольшое содержание, значительно влияет на процесс ректификации воздуха. Объясняется это тем, что точка кипения аргона (87,29 ºК) лежит между точками кипения азота (77,36 ºК) и кислорода (90,19 ºК). Поэтому при расчетах процесса ректификации с получением чистого кислорода воздух следует рассматривать как тройную смесь, состоящую из 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона и 78,12 % азота.

Процесс парообразования, который происходит не только со свободной поверхности жидкости, но и внутри её, называется кипением.

Кипение жидкости наступает в том случае, когда температура всей жидкости одинаково, а давление насыщенного пара этой жидкости равно внешнему давлению на ее поверхности.

Температура, при которой давление насыщающего пара жидкости равно внешнему давлению на её поверхности, называется температурой кипения жидкости. Температура кипения однородной жидкости постоянна и зависит только от давления.

Температура кипения смеси при определенном значении давления зависит от концентрации, чем больше вещества с низкой температурой в смеси, тем ниже температура ее кипения.

Вся энергия, получаемая жидкостью от нагревателя в процессе кипения, затрачивается на превращение жидкой фазы вещества в газообразную (Т=const). Количество тепла, которое необходимо подвести для испарения 1 кг жидкости, называется скрытой теплотой парообразования.

Процесс превращения газа (пара) в жидкое состояние называется конденсацией. Конденсация газа (пара) наступает в результате его охлаждения до температур ниже критических. Температура конденсации чистых газов постоянна и зависит только от давления.

Температура конденсации смеси при определенном давлении зависит от состава газа, чем больше в смеси веществ с низкой температурой, тем ниже температура конденсации.

При кипении жидкого воздуха без отвода пара в первую очередь из него будет испаряться азот, имеющий более низкую температуру кипения. Вместе с азотом будут испаряться и кислород, но в меньшей степени. Процесс испарения будет протекать до тех пор, пока не наступит при данном давлении и температуре равновесное состояние между паром и жидкостью.

Скрытая теплота испарения (парообразования) обозначается символом r и равна для кислорода 50,9 ккал/кг или 213,2 кДж/кг, для азота – 47,6 ккал/кг или 199,2 кДж/кг, для воздуха – 49,0 ккал/кг или 205,4 кДж/кг.

Конденсация воздуха при нормальном атмосферном давлении начинается при температуре –191,8ºС (81,2 К) и заканчивается при температуре –193,7ºС (79,3 К), так как воздух представляет собой, в основном, смесь азота и кислорода, температуры сжижения которых различны. Вначале сжижается воздух по компонентам, т.е. первым сжижается кислород, а затем азот. Кислород сжижается в больших количествах, чем азот, поскольку температура его сжижения более высокая. Поэтому температура сжижения воздуха вначале процесса будет выше. К концу сжижения происходит конденсация, в основном, азота, который имеет более низкую температуру сжижения, а поэтому температура сжижения воздуха тоже понижается.

Кривая зависимости температуры начала сжижения воздуха от давления представлена на рис. 1.

 

 

81,8

Критическая температура(132,4 К)Ркр=3,72 МПа

Р

Жидкость

Т

 

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8

 

Рис. 1. Зависимость температуры начала сжижения воздуха от давления

 

При критическом давлении и критической температуре теплота конденсации равна нулю. Критические параметры для кислорода, азота и воздуха даны в табл. 2.

 

Таблица 2

Газ	Критические температуры	Критические давления
ºС	ºК	кгс/см2	Н/м2
Кислород	-118,8	154,2	49,71	48,7·10-5
Азот	-146,9	126,1	33,54	32,9·10-5
Воздух	-140,7	132,3	37,2	36,5·10-5

 

Если жидкость состоит только из одного вещества, то и пары над нею будут содержать только это вещество, например, пары воды над водой, пары спирта над спиртом, кислород над чистым жидким кислородом и т.п.

Явление усложняется, когда жидкость состоит из двух и более веществ с разными температурами кипения, способных растворяться одно в другом. В этом случае в паре содержатся те же вещества, что и в жидкости, однако состав его отличается от состава жидкости. Например, в смеси воды и спирта последний более летуч и кипит при более низкой температуре, чем вода. Поэтому при нагревании смеси спирт быстрее испаряется, и в паре над жидкостью будет содержаться спирта больше, чем в жидкости.

При заданных давлениях и температуре и установившемся тепловом равновесии между жидкостью и паром состав пара над жидкостью является совершенно определенным и зависит только от состава жидкости. В этом случае говорят, что пар и жидкость находятся в равновесном состоянии. Нарушение этого равновесия вызывают соответствующие изменения состава жидкой и паровой фаз.

Аналогичные явления происходят при разделении воздуха на кислород и азот. В процессе нагревания без отвода паров жидкого воздуха из него в первую очередь испаряется азот, который имеет более низкую температуру кипения и поэтому составляет более летучую часть жидкого воздуха. Наряду с азотом, но в меньшей степени, из жидкого воздуха будет испаряться больше кислорода, чем в паре, а в паре больше азота, чем в жидкости. Другими словами, азот, как более летучая часть жидкости, переходит в пар в большем количестве, чем кислород, который остается преимущественно в жидкости. Такой переход азота в пар и кислорода в жидкость происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное состояние между жидкостью и паром, соответствующее их температуре и давлению.

 

Учебный вопрос № 2. Равновесие между жидкостью и паром в системе «кислород-азот» и диаграммы её равновесного состояния

 

В процессе разделения воздуха при низких температурах между находящимися в контакте жидкой и паровой фазами, состоящими из компонентов воздуха, происходит массо- и теплообмен. В результате непрерывного перехода молекул из жидкой фазы в паровую фазу, а из паровой фазы – в жидкую, паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом, т.е. компонентом, имеющим более низкую температуру кипения (или более высокое давление насыщенного пара при дневной температуре), а жидкая – высококипящим компонентом.

В процессах, происходящих в промышленных установках, в связи с конечным значением времени и поверхности соприкосновения фаз полного равновесия между жидкостью и паром не наступает.

Для большинства систем данные по равновесию между жидкостью и паром определяют на основе экспериментальных исследований с учетом теоретических зависимостей.

 

Рис. 1. Содержание кислорода в жидкости и паре при разных абсолютных давлениях

 

На рис. 1 приведен график зависимости между равновесными содержаниями кислорода в жидкости и паре над нею при равных давлениях.

Из графика видно, что при абсолютном давлении, например 0,1 МПа, в паре над жидким воздухом, содержащим 21 % кислорода, будет только 6,3 % кислорода (точка А). Для того, чтобы содержание кислорода в паре соответствовало его содержанию в атмосферном воздухе, т.е. составляло 21 %, необходимо, чтобы жидкости было около 52 % кислорода (точка Б).

С повышением давления количество кислорода в паровой фазе увеличивается. Например, при абсолютном давлении 6 кгс/см2 равновесный пар над жидким воздухом содержит уже около 10 % кислорода (точка В). Таким образом, повышение давления, при котором происходит процесс испарения жидкой азотно-кислородной смеси, уменьшает различие между составами пара и жидкости.

По мере обогащения кислородом жидкой фазы температура ее кипения повышается; эта температура тем выше, чем выше давление, при котором происходит кипение жидкого воздуха.

Откладывая на горизонтальной оси содержание азота, а на вертикальной – температуру кипения жидкости при постоянном давлении, получают так называемые «рыбки» - температурные диаграммы кипения жидкой азотно-кислородной смеси (рис. 2).

Нижние кривые показывают изменения состава жидкости при данном давлении в зависимости от температуры, а верхние – изменения состава пара под кипящей жидкостью. Каждая точка кривых соответствует состоянию равновесия между жидкой и паровой фазами при данном давлении и температуре.

Например, паровая фаза при абсолютном давлении 0,1 МПа содержит 79,1 % азота и 20,9 5% кислорода, т.е. соответствует по составу атмосферному воздуху (точка А). По диаграмме находим, что в этом случае температура кипения жидкости 81,4 ºК (-191,8ºС) и жидкость содержит 48,5 % азота и 51,5 % кислорода, что соответствует точке Б на диаграмме.

Из рис. 2 также следует, что отрезок А–Б показывает разность содержания азота в жидкой и паровой фазах; она будет наибольшей, когда в жидкости содержится 30–40 % азота и 70–80 % кислорода. С повышением давления разность между содержанием азота в жидкости и паре уменьшается, и при критическом давлении она равна нулю, так как в этом случае различие между жидкостью и паром исчезает. Отсюда следует, что процесс разделения воздуха наиболее выгодно вести при возможно более низком давлении, так как в этом случае разность между составами жидкой и паровой фаз будет наибольшей. По этой причине процесс разделения жидких азотно-кислородных смесей методом ректификации стремятся проводить при невысоком давлении.

 

Рис. 2. Состав азотно-кислородной смеси при разных температурах и абсолютных давлениях

Кривые на рис. 2. показывают также, что температура кипения испаряющейся жидкой азотно-кислородной смеси по мере обогащения жидкости кислородом постепенно повышается. Последняя капля испаряющейся жидкости имеет температуру жидкого кислорода, так как азот из нее уже полностью испарился. Кривые равновесия между жидкой и паровой фазами азотно-кислородной смеси одни и те же для испарения, так и для обратного ему процесса конденсации.

Жидкость находится в равновесии с паром тогда, когда ее состав соответствует составу пара, образующегося при свободном испарении жидкости. Поэтому, если жидкая фаза содержит азот в большем количестве, чем это следует по условиям равновесия, температура жидкости будет ниже температуры равновесия и начнется преимущественно конденсация кислорода из паровой фазы, сопровождающаяся испарением азота из жидкости.

Наоборот, в случае избытка кислорода в жидкой фазе вследствие того, что парциальное давление азота в ней уменьшено, происходит преимущественная конденсация азота при одновременном испарении некоторого количества кислорода.

Испаряя жидкий или конденсируя газообразный воздух можно частично разделить его на кислород и азот. Однако для практического применения такие способы непригодны, так как при этом нельзя получить чистый кислород.

Установлено, что при испарении 60 % жидкого воздуха содержание кислорода в остатке жидкости составит всего 35 %, а в парах 11,5 %. Когда вся жидкость превратится в газообразный воздух, содержание кислорода в нем достигнет 21 %; этому будет соответствовать содержание 52 % кислорода в последней капле испаряющейся жидкости (см. рис. 2). Поэтому простым испарением нельзя разделить воздух на кислород и азот, а можно лишь незначительно обогатить кислородом испаряемую жидкость.

Несколько лучше результаты получаются при испарении жидкости с одновременным отводом образующихся паров. В этом случае после испарения 9/10 смеси оставшаяся 1/10 часть жидкости будет содержать 86 % кислорода, а пар над ней – 60 % кислорода. Но такой процесс не выгоден по расходу энергии на 1 м3 кислорода и поэтому не используется для разделения воздуха.

В процессе конденсации воздуха изменяется состав пара и жидкости, как и в случае испарения, но в обратном порядке. Если в начале конденсации газообразный воздух содержал 21 % кислорода, в первой капле жидкости будет 52 % кислорода. В дальнейшем содержание кислорода в жидкости и паре начинает уменьшаться, и в конце конденсации жидкость будет содержать 21 % кислорода, а пар над нею – 6,3 % кислорода.

В расчетах процессов воздухоразделительных аппаратов применяют диаграмму для азото-кислородной смеси, составленную Герш и Цеханским, позволяющую определять абсолютное давление, температуру, энтальпию, содержание азота и кислорода в кипящей жидкости и равновесном с нею паре.

 

 

Групповое занятие № 1. Процесс ректификации

 

Учебный вопрос № 1. Сущность процесса ректификации

 

Для полного разделения жидкого воздуха на жидкий кислород и газообразный азот применяется процесс ректификации, осуществляемый в специальных аппаратах, называемых ректификационными колоннами.

Ректификацией называется процесс многократного соприкосновения неравновесных пара и жидкости, сопровождающийся обогащением жидкости кислородом, а пара – азотом.

Испарение и конденсация – процессы обратимые. При испарении 1 кг жидкости затрачивается теплота испарения. При конденсации 1 кг полученного пара, в условиях отсутствия потерь теплоты в окружающую среду, выделяется такая же по величине скрытая теплота конденсации.

Проходя через слой жидкой смеси азота и кислорода, последний конденсируется, так как является менее летучим компонентом, чем азот. При этом из жидкости испаряется количество азота, приблизительно равное количеству сконденсировавшегося кислорода.

На явлении конденсации кислорода в азотно-кислородной жидкости с одновременным испарением из нее азота и основан процесс ректификации.

Сущность процесса ректификации состоит в многократном последовательном пропускании парообразной смеси кислорода и азота (образующейся при испарении жидкого воздуха) через отдельные слои жидкости с меньшим содержанием кислорода.

Поскольку жидкость содержит меньше кислорода и больше азота, она имеет более низкую температуру, чем проходящий через нее пар. Это вызывает конденсацию кислорода из пара и обогащение им жидкости и одновременно испарение из жидкости азота, т.е. обогащение им паров над жидкостью. При каждом контакте жидкости с паром жидкость обогащается кислородом, а пар – азотом до равновесного состояния.

Рассматриваемый процесс происходит при непосредственном соприкосновении пара с жидкостью и повторяется много раз до тех пор, пока не получатся пар, состоящий почти из одного азота, и жидкость, представляющая собой почти чистый жидкий кислород. Такой процесс называется массообменом.

Рассмотрим упрощенную схему многократного испарения и конденсации жидкого воздуха (рис. 1), воспользовавшись графиком на рис. 2 прошлого занятия. Для этого принимаем, что воздух представляет собой бинарную смесь, т.е. состоит только из кислорода и азота. Пусть имеется несколько сосудов (I–V) и в верхнем из них находится жидкий воздух, содержащий 21 % кислорода.

Предположим, что в сосуде II находится жидкость, содержащая 30 %, в сосуде III – 40 %, в сосуде IV – 50 % и в сосуде V – 60 % кислорода. Начнем испарять жидкость в сосуде V при абсолютном давлении 0,1 МПа. В этом случае, как легко определить по графику, над жидкостью в сосуде V, содержащей 60 % кислорода и 40 % азота, может находиться равновесный по составу пар, в котором 73,5 % азота или 26,5 % кислорода, имеющий

14 % О2

19 % О2

60 % О2

Пар

 

 

6,3 % О2

 

 

9 % О2 I

 

II

21% О2

 

III

30 % О2

 

26,5 % О2 IV

40 % О2

 

V

50 % О2

 

 

Пар

 

Рис. 1. Упрощенная схема процесса многократного испарения и конденсации жидкого воздуха

 

температуру, равную температуре жидкости в сосуде. Подводим этот пар в сосуд IV, где жидкость содержит только 50 % кислорода и 50 % азота и поэтому является более холодной. Пар над этой жидкостью может состоять лишь из 81 % азота и 19 % кислорода, и только в этом случае его температура будет равна температуре жидкости в данном сосуде. Следовательно, проводимый в сосуд IV из сосуда V пар, содержащий 26,5 % кислорода, имеет более высокую температуру, чем жидкость в сосуде IV; поэтому кислород пара конденсируется в жидкости сосуда IV, а часть азота из нее будет испаряться. В результате жидкость в сосуде IV обогатится кислородом, а пар над нею – азотом.

Из сосуда IV пар, в котором 19 % кислорода, отводится в сосуд III, где жидкость содержит 60 % азота и 40 % кислорода и имеет более низкую температуру; пар над нею должен состоять из 86 % азота и 14 % кислорода. Следовательно, пар из сосуда IV будет конденсироваться в жидкости сосуда III, оставляя в ней часть своего кислорода и испаряя из жидкости азот.

Те же рассуждения можно привести для последующих сосудов. При сливе из верхних сосудов в нижние жидкость постепенно обогащается кислородом, конденсируя его из поднимающихся паров и отдавая им свой азот.

Продолжая процесс вверх, можно получить в конце пар, состоящий почти из чистого азота, а спускаясь вниз, – чистый жидкий кислород.

В действительности этот процесс происходит много сложнее, чем он здесь описан. Тем не менее приведенная схема дает представление о сущности процесса ректификации и способе его осуществления.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационных колоннах, представляющих собой вертикальную цилиндрическую колонну с расположенными внутри горизонтальными перегородками (тарелками) специального устройства. Жидкая смесь азота и кислорода стекает вниз по тарелкам (или насадке из медных или томпаковых трубочек размером 6×6 или 8×8 с толщиной стенки 0,1– 0,15 мм), а навстречу ей поднимается смесь паров азота и кислорода. Соприкасаясь на тарелках или насадке с жидкостью, пары отдают кислород, а сами обогащаются азотом, испаряемым из жидкости конденсирующимся в ней кислородом. В результате этого на верху колонны получают почти чистый газообразный азот, а внизу – жидкость, состоящую почти из чистого кислорода.

Ректификационная тарелка. Обычно тарелки подразделяют на ситчатые (рис. 2) и колпачковые (рис. 3).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Схема устройства ситчатой ректификационной тарелки:

1 – тарелка; 2 – переливной стакан

Ситчатая тарелка изготовляется из листовой латуни, аммония или нержавеющей стали толщиной 0,8–1 мм, в которой в шахматном порядке на расстоянии 3,25 мм друг от друга пробиты отверстия диаметром 0,9–1,2 мм. На 1 м2 размещается 110 тысяч таких отверстий. Поднимающийся пар легко проходит через отверстия и находящийся на тарелках слой жидкости, вспенивая его. Жидкость под действием подпора пара не протекает через отверстия. Переливание жидкости с одной тарелки на другую происходит только через сливные стаканы 2. На тарелках имеются перегородки, высота которых определяет условную высоту слоя жидкости на тарелках.

 

 

3

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Схема устройства колпачковой ректификационной тарелки:

1 – тарелка; 2 – переливной стакан; 3 – колпачки.

 

В колпачковых тарелках имеются отверстия, накрытые колпачками 3. Пар через эти отверстия поступает под колпачки, выходит через прорези в нижней части колпачков и проходит через слой жидкости, находящейся на тарелке. Мелкие отверстия в сетках и колпачки разделяют поток пара на небольшие струйки для получения максимальной поверхности контакта между паром и жидкостью.

В верхней части колонны на тарелках находятся жидкость и пары, содержащие больше азота и, наоборот, в нижней части колонны на тарелках находятся жидкость и пары, содержащие больше кислорода, но меньше азота. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется процесс непрерывного разделения жидкого воздуха на азот, отводимый из верхней части колонны, и кислород, собирающийся в нижней её части.

Взаимодействие между паром и жидкостью на тарелке протекает следующим образом. Когда пузырек пара поднимается в жидкости, часть содержащегося в нем кислорода конденсируется и остается в жидкости; взамен этого из жидкости испаряется азот и уносится с паром к следующей тарелке. На каждой тарелке поступающая жидкость обогащается кислородом и отдает азот. Состояние равновесия между паром и жидкостью вначале достигается только на поверхности пузырька, а внутри его состав пара почти не изменяется. Лишь постепенно, по мере перемещения пузырька, дальнейшего дробления его и развития поверхности контакта между паром и жидкостью, средний состав пара над тарелкой будет приближаться к составу, равновесному с составом жидкости на тарелке. Поэтому в действительном процессе пар над жидкостью, вследствие неполного тепло- и массообмена между ними, содержит больше кислорода и меньше азота, чем это должно быть по теоретической кривой равновесия для жидкости данного состава.

Отношение действительного увеличения содержания более летучего компонента в паре (азота) при прохождении его через тарелку к теоретическому, определяемому по равновесному состоянию, называется коэффициентом обогащения (коэффициентом эффективности разделительного действия тарелки).

Например, до входа на тарелку пар содержал 50 % азота. По кривой равновесия для абсолютного давления 0,1 МПа содержание азота в паре над жидкостью такого состава должно быть около 81 %. В действительности же вследствие несовершенства массообмена на тарелке пары содержат только 60 % азота. Тогда коэффициент обогащения составит:

или 32 %.

Если состав пара над жидкостью, находящейся на тарелке, соответствует равновесному, то коэффициент обогащения ηТ = 1, и такая тарелка называется «теоретической». Число фактических тарелок всегда больше, чем теоретических.

Отношение числа теоретических тарелок (ηТ) к числу фактических тарелок (ηК) в колонне называют средним коэффициентом полезного действия тарелки (ηТср), т.е. .

Коэффициент ηТср зависит от конструкции тарелки и условий ее работы. Чем меньше этот коэффициент, тем больше число фактических тарелок должна иметь колонна для получения продуктов заданных концентраций.

При расчете ректификации воздуха как бинарной смеси, принимаются следующие значения кпд тарелок:

для нижней колонны……………………………………………..….0,3–0,5

 

для верхней колонны

выше места ввода кубовой жидкости…………………………0,3–0,5

ниже места ввода кубовой жидкости………………………….0,2–0,3

На кпд тарелки влияют два основных фактора: унос капель жидкости поднимающимися парами и характер движения жидкости на тарелке.

Унос жидкости зависит от скорости движения паров в колонне. Для воздухоразделительных аппаратов обычно принимаются следующие скорости паров, отнесенные к нормальным физическим условиям и номинальному внутреннему диаметру обечайки колонны (м/сек):

для нижней колонны……………………………………………….0,1–0,25

для верхней колонны

выше места ввода кубовой жидкости…………………………0,3–0,8

ниже места ввода кубовой жидкости……………………..….0,25–0,5

Проходя через слой жидкости на тарелке, пары уносят капельки жидкости на лежащую выше тарелку и тем ухудшают разделение смеси, так как увеличивают содержание кислорода на верхней тарелке, понижая кпд последней. Чем выше скорость паров, тем больше унос жидкости и тем меньше кпд тарелок. Влияние уноса можно снизить, увеличив расстояние между тарелками, но при этом возрастает высота колонны. Унос тем больше, чем выше уровень жидкости на тарелке. Расстояние между тарелками обычно равно 50–100 мм. Для уменьшения уноса жидкости над тарелками ставят отбойные устройства или увеличивают диаметр отверстий в ситчатых тарелках (до 1,3 мм).

Характер движения жидкости на тарелке влияет на равномерность распределения жидкости и пара по поверхности тарелки. Если движение жидкости на тарелке упорядочено и происходит в одном направлении, то коэффициент обогащения будет наибольший.

 

 

Учебный вопрос № 2. Однократная ректификация бинарной смеси

 

Разделение воздуха на составные части обычно осуществляется в колоннах одно- или двукратной ректификации.

Однократная ректификация – это процесс разделения жидкого воздуха на кислород и азот без предварительного его обогащения кислородом.

Колонна однократной ректификации проста в исполнении и эксплуатации. Схема такой колонны представлена на рис. 4.

 

Азот отбросный

 

 

 

 

 

Кислород чистый

3

 

Воздух

4

 

Рис. 4. Схема аппарата однократной ректификации для получения кислорода

 

 

Предварительно охлажденный в теплообменнике выходящими из аппарата по трубе 3 кислородом и по трубе 9 азотом сжатый воздух по трубе 4 направляется в змеевик 6, погруженный в сосуд испарителя (куб) 5 с кипящим жидким кислородом. В змеевике сжатый воздух частично конденсируется и испаряет соответствующее количество кислорода. После змеевика воздух проходит дроссельный вентиль 7, что снижает избыточное давление до 0,02–0,03 МПа и по трубе 8 подается на верх ректификационной колонны. Часть воздуха при этом испаряется, а большая часть стекает вниз по тарелкам 2. Этот воздух обогащается кислородом, контактируя на тарелках с поднимающимися парами. В результате в испарителе собирается жидкий кислород, часть паров которого отводится через трубу 3 в качестве продукта. Образующиеся в испарителе и проходящие вверх по колонне пары обогащаются азотом; на верху колонны пар содержит 88–93 % азота и 7– 12 % кислорода. Эта смесь (отбросный азот) по трубе 9 выбрасывается в атмосферу, предварительно пройдя теплообменник, в котором она охлаждает поступающий сжатый воздух.

Схема азотного аппарата однократной ректификации дана на рис. 5.

Азот газообразный

Азот жидкий

 

 

 

 

 

Сжатый воздух

 

 

 

Очищенный воздух

 

Рис. 5. Схема аппарата однократной ректификации для получения азота

Сжатый в компрессоре воздух после теплообменника подается через дроссельный вентиль 7 в куб 5 колонны, откуда через второй дроссельный вентиль поступает в межтрубное пространство конденсатора 12 для охлаждения и конденсации газообразного азота, собирающегося в трубках конденсатора. Чистый газообразный азот отводится из-под крышки конденсатора, а жидкий азот сливается из карманов 11. Обогащенный кислородом воздух из межтрубного пространства конденсатора отводится, как и газообразный азот, в межтрубное пространство теплообменника, охлаждая поступающий в колонну сжатый воздух.

При получении технического кислорода аппарат однократной ректификации работает неэкономично, так как вместе с отбросным газом в атмосферу выбрасывается около 1/13 кислорода, содержавшегося в перерабатываемом воздухе. Обусловлено это тем, что верхняя тарелка орошается жидким воздухом, над которым равновесный по составу пар теоретически должен содержать около 7 % кислорода. Для того, чтобы уменьшить потери кислорода с отходящим азотом, необходимо верхнюю тарелку орошать не жидким воздухом, а жидким азотом, для чего применяют аппараты двукратной ректификации.

 

Учебный вопрос № 3. Двукратная ректификация бинарной смеси

 

Двукратная ректификация – это процесс разделения жидкого воздуха на кислород и азот в два этапа: вначале жидкий воздух обогащается кислородом, а затем он разделяется на жидкий кислород и газообразный азот.

Сжатый в компрессоре и охлажденный в теплообмен-нике воздух по трубе 1 поступает в змеевик испа-рителя 3. В кубе 2 находится жидкая смесь, состоящая из 45 % кислорода и 55 % азота. В змеевике 3 воздух конден-сируется и через дроссельный вентиль 4 подается в середину колонны А. Стекая по тарелкам колонны, жидкий воздух встре-чается с поднимающимися па-рами, вследствие чего проис-ходит предварительная ректи-фикация жидкого воздуха. Между верхней и нижней колоннами расположен конден-сатор В, состоящий из боль-шого числа вертикальных тру-бок 8, концы которых впаяны в горизонтальные трубные ре-шетки 9. Внутреннее про-странство трубок сообщается с нижней колонной, работающей под избыточным давлением 0,45÷0,55 МПа. Это давление в нижней колонне устанав-ливается самопроизвольно в соответствии с тепловой на-грузкой конденсатора.

Схема кислородного аппарата двукратной ректификации приведена на рис. 6. Этот аппарат состоит из двух ректификационных колонн. В нижней колонне А происходит предварительное разделение воздуха на жидкий азот и обогащенную кислородом азото-кислородную смесь. Эти жидкости исполь-зуются затем для орошения верхней колонны Б, в которой воздух окончательно разделяется на кислород и азот.

Кислород чистый

Азот отбросный

Воздух

Б

В

А

 

 

 

 

Рис. 6. Схема кислородного аппарата двукратной ректификации

При данных составах пара в верхней части нижней колонны и жидкости в конденсаторе количество конденсирующихся паров азота определяется высотой уровня жидкого кислорода между трубками конденсатора (т.е. размером действующей поверхности теплопередачи в конденсаторе) и величиной давления в нижней колонне А. Межтрубное пространство конденсатора сообщается с верхней колонной Б, избыточное давление в которой не превышает 0,05 МПа; это давление обусловлено сопротивлением линий отвода продуктов разделения (кислорода и азота из колонны).

Жидкий кислород заполняет межтрубное пространство конденсатора. Поскольку избыточное давление паров азота составляет около 0,5 МПа, а паров кислорода – около 0,05 МПа, температура конденсации паров азота на несколько градусов превышает температуру жидкого кислорода. Вследствие этого азот конденсируется в трубках конденсатора и стекает в нижнюю колонну, орошая ее насадку, расположенную выше ввода жидкого воздуха из змеевика испарителя, и обеспечивает процесс ректификации на ней.

Остальная часть жидкого азота (концентрация 94–97 %) собирается в карманах 7 конденсатора и через азотный дроссельный вентиль 11 подается на орошение верхней тарелки колонны Б. В ту же колонну, примерно на уровне 2/3 ее высоты, через кислородный дроссельный вентиль 6 подается жидкая азото-кислородная смесь (кубовая жидкость) из куба 2. В результате ректификации в верхней колонне, в межтрубном пространстве конденсатора собирается жидкий кислород концентрации 99,5÷99,8 %. Пары его частично поднимаются вверх по колонне и участвуют в процессе ректификации, в частично отводятся по трубе 10 в теплообменник и затем направляются в газгольдер готового продукта. Азот концентрации 97–98 % собирается в верхней части колонны Б и по трубе 12 через теплообменник удаляется в атмосферу.

Благодаря тому, что в верхнюю часть колонны аппарата двукратной ректификации подается почти чистый жидкий азот, отходящий азот (при достаточном орошении верхней тарелки) содержит не более 2-3 % кислорода. Следовательно, потери кислорода с азотом значительно меньше, чем в аппаратах однократной ректификации, и процесс разделения воздуха при двукратной ректификации более экономичен.

Воздушный дроссельный вентиль ставят после змеевика куба нижней колонны и пропускают через него весь воздух. Конденсируясь в змеевике, воздух одновременно испаряет часть кубовой жидкости, образуя пары для ректификации на тарелках, расположенных ниже уровня ввода воздуха в колонну. Жидкий воздух, стекая вниз, несколько обогащается кислородом (примерно 45 %), что соответственно уменьшает количество азота в кубовой жидкости, а это дает возможность увеличить количество азота, подаваемого в верхнюю колонну, и тем улучшить в ней процесс ректификации. Змеевики в кубе колонны устанавливаются только в воздухоразделительных аппаратах небольшой производительности, работающих с использованием воздуха высокого давления.

Змеевика в кубе колонны может и не быть. В этом случае, воздух после теплообменников по трубе 1 (рис. 7) поступает к дроссельному вентилю 2, в котором давление понижается до давления в нижней колонне 3, а затем непосредственно в куб 4 колонны. При дросселировании воздух частично сжижается и собирается в кубе 4 нижней колонны, образуя жидкость, обогащенную кислородом до 35–39 %. Эта жидкость по трубе 5 подается через кислородный дроссельный вентиль 6 на дальнейшую ректификацию в верхнюю колонну. Туда же подается через дроссельный вентиль 7 жидкий азот из карманов конденсатора 8. Часть воздуха из куба поднимается в виде пара и подвергается ректификации на тарелках 9 нижней колонны при соприкосновении со стекающей жидкостью.

В крупных аппаратах с циклами низкого давления змеевики в кубе нижней колонны не ставятся. Воздух низкого давления в этом случае сжимается до давления в нижней колонне и вводится в нее над поверхностью жидкости в кубе в состоянии сухого насыщенного пара. В установках высокого и среднего давления для получения жидкого и газообразного кислорода, работающих по холодильным циклам с использованием детандеров, воздух после детандера вводится также непосредственно в куб нижней колонны. В зависимости от конкретных условий использования аппаратов ректификации в установках разделения воздуха схемы аппаратов, изображенных на рис. 6 и 7 могут претерпевать те или иные изменения.

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Схема нижней колонны без змеевика

в кубе колонны

 

 

Эти изменения могут быть вызваны следующими причинами:

уменьшением высоты воздухоразделительного аппарата;

требованиями получить наряду с кислородом чистый азот и другие компоненты воздуха;

стремлением снизить расход энергии на процесс ректификации.

 

 

Уменьшение высоты аппарата достигается установкой колонны высокого давления 1 рядом с колонной низкого давления 3. При этом используются два конденсатора-испарителя: один (2) устанавливают над колонной высокого давления, а другой (4) – под колонной низкого давления. Часть кубовой жидкости подается через дроссельный вентиль в конденсатор колонны высокого давления. Пары кубовой жидкости из конденсатора

направляются в середину колонны низкогодавле-ния. Однако при этом уменьшается количество флегмы в колонне низко-го давления, и с отходя-щим азотом теряется зна-чительное количество кислорода. Приведенная на рис. 8 схема нашла применение в установках небольшой производи-тельности, в которых расход энергии не имеет решающего значения.

А

 

 

 

 

R N

 

К

 

В

4

 

Рис. 8. Схема воздухоразделительного аппарата с распо-

ложением колонны высокого и низкого давления

на одном уровне

 

Тема № 6. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ВОЗДУХОРАЗДЕЛИ-ТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК.

Лекция № 1. ТЕПЛООБМЕННИКИ.

Учебный вопрос № 1. Назначение и классификация теплообменных аппаратов

 

Теплообменные процессы играют важную роль в разделении воздуха методом глубокого охлаждения и в ряде случаев определяют эффективность работы блоков разделения. К основным теплообменным процессам технологии разделения воздуха относятся охлаждение и нагревание, а также конденсация и испарение воздуха и продуктов его разделения.

Теплообменные аппараты по принципу действия могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называют теплообменники, в которых тепло передается через стенки, разделяющие теплоносители (греющую и нагреваемую среды). Особую группу рекуперативных теплообменников составляют конденсаторы-испарители, в которых происходит процесс теплообмена с изменением агрегатного состояния теплообменивающихся веществ. Регенеративными теплообменниками принято называть аппараты, в которых тепло передается с помощью аккумулирующей его насадки. Такими аппаратами являются прежде всего регенераторы.

В регенераторах и в рекуперативных пластинчато-ребристых теплообменниках, работающих в режиме реверсивных аппаратов, одновременно с процессом теплообмена происходит очистка воздуха от паров воды и двуокиси углерода.

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. Примером таких аппа­ратов являются скрубберы, служащие для охлаждения воды за счет ее самоиспарения в сухом отходящем азоте или для охлаждения при противоточном контакте с холодной водой воздуха, поступающего в уста­новку.

При соприкосновении воды и воздуха, помимо конвективного теплообмена, обуславливаемого температурным градиентом, происходит также и влагообмен, обусловленный разностью парциальных давлений водяного пара у поверхности воды и в ядре потока. При этом происходит либо испарение влаги и переход ее в газовую среду, либо конденсация паров из воздуха на поверхности жидкости. В процессе влагообмена вместе с парами перено­сится и тепло, затраченное на их образование.

 

Учебный вопрос № 2. Рекуперативные теплообменники

 

Рекуперативные теплообменные аппараты воздухоразделительных уста­новок в соответствии с конструктивным оформлением могут быть разделены на три основные группы: прямотрубные, из витых труб и пластинчаторебристые.

Прямотрубные теплообменники наиболее просты по конструкции и чаще всего служат для нагревания и охлаждения газа низкого давления. Такие теплообменники работают, как правило, при сравнительно небольших перепадах температур по длине аппарата и при относительно высоких тем­пературных напорах между потоками.

Теплообменники из витых труб применяют обычно для охлаждения воздуха высокого и среднего давления, а также для переохлаждения сжиженных газов.

Если коэффициент теплоотдачи со стороны потока, протекающего в межтрубном пространстве витого теплообменника, существенно ниже коэффи­циента теплоотдачи от потока в трубках (теплообменники высокого давления, переохладители сжиженных газов и др.), то намотка теплообменника может быть выполнена из оребренных труб. Когда величина коэффициентов тепло­отдачи с обеих сторон теплообменной поверхности сравнительно невелика (теплообмен между потоками газов низкого давления) целесообразнее при­менять двустороннее оребрение. Наиболее рациональной конструкцией с двусторонним оребрением являются пластинчато-ребристые теплообмен­ники, которые по сравнению с аппаратами трубчатого типа имеют следующие преимущества: компактность поверхности, небольшие вес и габариты тепло­обменника; возможность автоматизации изготовления и создания оптимальных конструкций в отношении теплообмена и гидравлического сопротивления и др.

 

Трубчатые теплообменные аппараты

В виде прямотрубных теплообменников изготовляют подогреватели азота и воздуха, идущих; на отогрев кислородных установок низкого давления, а также детандерные теплообменники. В виде кожухотрубных аппаратов с пря­мыми трубами изготовляют вымораживатели паров воды и вымораживатели двуокиси углерода (установка БР-6). В прямотрубных теплообменниках коэффициенты теплоотдачи в межтрубном пространстве обычно ниже, чем внутри труб. Поэтому для улучшения теплообмена в аппаратах данного типа каждый ряд трубок, расположенный по окружности,

стягивают проволокой, при этом зазор между трубками в межтрубном пространстве полу­чается равным диаметру проволоки (детандерные теплообменники установок БР-1, БР-5) или устанавливают в межтрубном пространстве поперечные перегородки (вымораживатели двуокиси угле­рода установки БР-6).

 

 

Вход воздуха

Выход воздуха

 

 

Рис. 1. Подогре­ватель азота

 

На рис. 1 изображен подогреватель азота установки БР-1, предназначенный для подогрева 19000–24000 м3/ч азота от 95 до 120–190˚К. Теплообменник имеет поверхность теплообмена 70 м2. Азот под давлением до 0,13 Мн/м2 проходит по межтрубному пространству, а воздух под давлением до 0,6 Мн/м2 – по трубам d = 8 × 0,5 мм.

Витые теплообменники воздухоразделительных установок могут быть выполнены в виде одно- и многосекционных, а также двух- и многопоточных аппаратов.

Особую группу витых аппаратов представляют собой теплообменники типа «труба в трубе», которые применяют обычно в кислородных установках малой производительности. Навивка такого теплообменника выполняется из труб малого диаметра, вставленных в трубы большего диаметра. Например, в теплообменнике установки АКДС-30 воздух высокого давления охлаждается,

 

 

 

Рис. 2. Типы навивки витых теплообменников

 

проходя по кольцевому зазору, образованному трубами диаметром 10×1,5 мм и вставленными в них трубами диаметром 5,0×1,0 мм. Воздух охлаждается кислородом, проходящим по внутренним трубам, и отбросным азотом, поступающим в межтрубное пространство.

При изготовлении витых теплообменников трубы навивают по винтовой линии на сердечник. Диаметр сердечника Dс во избежание сплющивания труб при навивке выбирают в зависимости от их наружного диаметра Dс = (10÷20) dн. Чем тоньше стенки труб, тем больше должен быть диаметр сердечника. Для создания наиболее рациональной конструкции и размеров навивки витые теплообменники делают многозаходными. Число заходов в каждом ряду труб выбирают таким, чтобы обеспечить одинаковый нагрев или охлаждение потоков газа, протекающих во всех трубах; длина труб (в соответствии с задаваемыми скоростями движения газа и с допустимым гидравлическим сопротивлением) может быть от 5 до 50 м.

По характеру применяемых труб и способу их навивки витые тепло­обменники разделяют на следующие типы (рис. 2): из гладких труб с плот­ной (тип I а), разряженной (тип I б), шаговой (тип I в) навивкой и навивкой из оребренных труб (тип II).

Теплообменники с плотной навивкой менее эффективны, чем с разря­женной и шаговой навивками, но более компактны и просты в изготовлении. Теплообменники с шаговой навивкой обладают сравнительно высокими коэффициентами теплоотдачи в межтрубном пространстве, но имеют более высокое гидравлическое сопротивление. В теплообменниках с плотной и разряженной навивками между рядами труб при их намотке ставят про­кладки, толщина которых определяется заданным гидравлическим сопротив­лением потоку в межтрубном пространстве. На сердечнике и на наружном ряду труб прокладка делается в 2 раза тоньше. Прокладку толщиной меньше I мм делать не рекомендуется. Шаговую навивку выполняют без дистанционных прокладок с изменением направления навивки труб от ряда к ряду.

Теплообменники из оребренных труб применяют в тех случаях, когда коэффициенты теплоотдачи в межтрубном пространстве значительно ниже коэффициентов теплоотдачи от потока, протекающего в трубах, например, в теплообменниках высокого давления в 5–8 раз или в переохладителях жидкости в 8–10 раз.

Применяя в этих аппаратах оребренные трубы с соответствующим коэффициентом оребрения от 5 до 10, можно существенно уменьшить массу и габариты аппаратов. Наиболее рациональными в отношении изготовления являются трубы с поперечными винтовыми ребрами, полученными накаткой, т. е. пластической деформацией металла из толстостенных гладких труб. Способ накатки ребер дает возможность получать оребренные трубы из меди и алюминия, практически любых требующихся диаметров и длин и непосредственно из бухты.

 

Пластинчато-ребристые теплообменники

Пластинчато-ребристые теплообменники по своим весовым, габаритным и эксплуатационным характеристикам являются наиболее совершенными аппаратами. Для низкотемпературных установок такие теплообменники изготовляют из алюминиевых сплавов. Основной частью пластинчато–ребристого теплообменника является многослойный пакет, в

 

а)

б)

Рис. 3. Элементы пластинчато-ребристого теплообменника:

а – отдельный канал; б – элементы в собранном виде

котором между проставочными листами толщиной 0,5–1,0 мм расположена ребристая насадка. Проставочные листы плакированы силумином, который является припоем. Отдельный канал и собранный пакет пластинчато-ребристого тепло­обменника показаны на рис. 3. По периметру каждого канала, оставляя свободными лишь места для входа и выхода потока, укладывают проставочные элементы, которые могут быть выполнены в виде различных профилей: швеллеров, брусков различной формы и др.

Ребристая насадка представляет собой гофрированную поверхность. С помощью штамповки на поверхности наносятся прорези, перемычки между которыми отгибаются, и им придается та или иная форма; перемычки являются ребрами. Материалом для насадки служит фольга толщиной 0,1–0,5 мм.

Проставочные элементы, ребристую насадку и листы соединяют пайкой при погружении собранного пакета в ванну с расплавленными солями, которые проникают во все каналы пакета, разогревают и флюсуют поверхность. После пайки пакет отмывают от солей и испытывают на герметичность. Коллекторы к пакету присоединяют с помощью аргоно-дуговой сварки. Изготовленный таким образом пластинчато-ребристый теплообменник представляет собой легкую, но жесткую конструкцию, спо­собную работать при давлении до 3,0 Мн/м2 и выше.

В технике низких температур пластинчато-ребристые теплообменники широко применяют в воздухоразделительных и криогенных установках, в процессах синтеза аммиака, получения этилена, разделения природных газов и др. В воздухоразделительных установках такие теплообменники применяют в качестве реверсивных теплообменников вместо регенераторов, предварительных и основных теплообменников, теплообменников- подогре­вателей, переохладителей, конденсаторов.

В зависимости от назначения и условий работы теплообменника при его изготовлении могут быть использованы различные ребристые насадки, которые можно разделить на шесть типов (с гладкими непрерывными ребрами, волнистыми, прерывистыми, чешуйчатыми, шиповыми и перфорированными ребрами (рис. 4)).

Гладкие ребра обеспечивают безотрывное течение газа в каналах, аналогичное в основном течению в гладких трубах.

Волнистые ребра турбулизируют поток, вследствие чего увеличиваются коэффициент теплоотдачи α и коэффициент сопротивления f. Применение волнистых ребер вместо гладких существенно уменьшает длину теплообмен­ника при некотором увеличении поперечного сечения.

Прерывистые ребра характеризуются сравнительно высокими значе­ниями α и f. Можно предположить, что при набегании потока газа на каждое ребро при определенных режимах течения пограничный слой формируется заново и при малой длине ребра вдоль потока (прорези, нанесены через 1–2 мм) имеет сравнительно небольшую среднюю толщину. Это приводит,

 

 

Рис. 4. Схематичное изображение пластинчато-ребристых поверхностей:

а – с гладкими непрерывными ребрами; б – с волнистыми;

в – с преры­вистыми; г – с чешуйчатыми; д – с шиповыми;

е – с перфорированными ребрами.

 

с одной стороны, к малому термическому сопротивлению пограничного слоя, с другой – к дополнительной потере энергии, связанной с частным разру­шением и формированием пограничного слоя.

Чешуйчатые ребра, характеризуемые также сравнительно высокими значениями α и f, имеют несколько большую длину вдоль потока, чем пре­рывистые, но отогнуты таким образом, что создают условия для перемеши­вания потока в поперечном направлении.

Шиповые ребра обеспечивают поперечное обтекание шипов, аналогич­ное, в некоторой степени, обтеканию пучка труб поперечным потоком. Шипы могут быть круглого поперечного сечения либо иметь профиль, более благоприятный в аэродинамическом отношении. Для шиповых ребер ха­рактерны высокие значения α и f.

Перфорированные, т. е. непрерывные ребра, изготовленные из перфо­рированного листа, характеризуются несколько более высокими значе­ниями α и f, чем гладкие непрерывные ребра.

Внутри каждого типа ребер могут существенно изменяться такие раз­меры, как толщина ребер, шаг, расстояние между прорезями и др.

Размеры теплообменника зависят как от типоразмера выбранного оребрения, так и от тепловой нагрузки, температурного режима и допускаемого падения давления в аппарате, определяемых условиями работы установок. Серийное производство пластинчато-ребристых теплообменников по известной технологии требует разработки и создания определенных типоразмеров секций, соединяя которые с помощью коллекторов последовательно и параллельно, можно скомпоновать теплообменник с необходимым поперечным сечением и поверхностью.

В табл. 1 приведены габаритные размеры секций, которые могут быть использованы для крупных воздухоразделительных и криогенных установок. Высота пакета секции, определяемая числом каналов, выбирается так же, как и число параллельно соединяемых секций, в зависимости от величины требуемого поперечного сечения теплообменника и исходя из условий наивыгоднейшей компоновки параллельно соединяемых секции. Однако высота пакета не может быть больше максимальной, определяемой размерами технологического оборудования. Коллектирование теплообменников из отдельных секций требует тщательного анализа гидравлических сопротивлений самих секций, распределителей и коллекторов.

Распределители служат для равномерного распределения потока по сечению пакета и должны иметь по возможности наименьшее гидравлическое сопротивление и достаточную механическую прочность. Конструкция распре­делителя определяется назначением и условиями работы теплообменника. Применительно к воздухоразделительным и криогенным установкам могут быть рекомендованы два основных типа распределителей: переключающихся и непереключающихся потоков. Распределители первого типа должны обес­печивать одинаковые по форме и размерам каналы на всем протяжении тепло­обменника (рис. 5, б). Распределители второго типа могут быть выполнены различными по конструкции. В секции двухпоточного нереверсивного тепло­обменника в каналах обратного потока распределители можно вообще не ставить (рис. 5, а), что позволяет существенно сократить сопротивле­ние по тракту обратного потока. В секциях многопоточных реверсив­ных теплообменников обычно исполь­зуют распределители обоих типов.

При последовательном соедине­нии нескольких секций гидравли­ческое сопротивление теплообменни­ков увеличивается за счет сопротив­ления коллектора и распределителей, которое зависит от их конструкции и может составлять значительную долю в общем сопротивлении тепло­обменника.

При параллельном соединении секций на работу теплообменника суще­ственно влияет равномерность распределения потока между секциями.

В пластинчато-ребристых теплообменниках в каждой секции и между секциями, соединенными параллельно, распределение газа может быть не­равномерным. Высокая теплопроводность металла в известной степени ком­пенсирует неравномерность распределения газа в каждой секции. Более

 

Габаритные размеры типовых секций, мм

Таблица 1

Секции	Ширина листа (секции)	Длина пакета	Длина рабочей поверх­ности	Макси­мальная высота набора пакета
А			~1000	~400
Б			~2600	~400
В			~1000	~500
Г			~2200	~850

 

серьезной проблемой является обеспечение равномерного распределения газа между параллельными секциями, так как неравномерность распределе­ния потоков здесь может вызывать значительное увеличение недорекупера­ции и привести к возрастанию потерь холода установки. Это особенно отно­сится к теплообменникам, работающим при больших перепадах температур по длине и малых температурных напорах между потоками.

 

 

 

Рис. 5. Схема каналов пластинчато-ребристых теплообменников.

1 – рабочая поверхность – прерывистые ребра; 2 – распределитель – гладкие ребра; 3 – распределитель – перфорированные ребра; 4, 5 – «косые срезы» на входе в рабочую поверхность и выходе из нее.

 

Во избежание недопустимого увеличения недорекуперации секции перед коллектированием подвергаются гидравлическим испытаниям. К параллельному коллектированию допускаются только секции, имеющие практически одинаковые сопротивления.

 

 

Реверсивные пластинчато-ребристые теплообменники

Пластинчато-ребристые теплообменники можно использовать в воздухо-разделительных установках в качестве реверсивных для одновременного охлаждения и очистки исходного газа. Особенно целесообразно их применение в установках для производства чистых продуктов, так как в теплообменниках такого типа сравнительно легко осуществляется теплообмен между несколь­кими потоками газа.

В реверсивном теплообменнике сжатый газ охлаждается чистым обрат­ным потоком, идущим противоточно и имеющим давление, близкое к атмо­сферному. При этом одновременно с теплообменом происходит выморажи­вание паров влаги и двуокиси углерода. Через определенное время потоки переключаются, и чистый обратный поток, проходя по каналам, нагревается и возгоняет примеси, отложившиеся из прямого потока. Период между пере­ключениями потоков определяется допустимым повышением сопротивления на обратном потоке и обычно принимается от 15 до 30 мин.

Одной из главных задач, возникающих при проектировании тепло­обменников, является выбор габаритов и режима работы аппарата, обеспе­чивающих необходимую продолжительность рабочей кампании установки. Продолжительность кампании зависит от тщательности очистки рабочего газа в теплообменниках, определяющей забиваемость коммуникаций и ап­паратов, расположенных за теплообменниками, и от скорости накопления примесей в теплообменниках. В условиях установок разделения воздуха воз­можны два варианта работы реверсивных теплообменников: в режиме мак­симально длительной кампании, при котором все примеси, вымерзающие в аппарате, возгоняются обратным потоком, и в режиме сокращенной кам­пании (в небольших и транспортных установках), при котором допустимо накапливание примесей в аппарате.

 

 

Групповое занятие № 2. КОНДЕНСАТОРЫ-ИСПАРИТЕЛИ

Учебный вопрос № 1. Классификация и характеристики конденсаторов-испарителей.

 

Конденсаторы-испарители в блоках разделения воздуха служат для конденсации азота за счет испарения кислорода или обогащенного кислородом воздуха, т. е. представляют собой теплообменные аппараты, в которых процесс теплообмена происходит с изменением агрегатного состояния веществ.

От эффективности работы конденсатора-испарителя часто в значитель­ной степени зависит экономичность работы всей установки. В установках низкого давления увеличение на 1°С разности температур между конденси­рующимся азотом и кипящим кислородом ведет к увеличению расхода электроэнергии на сжатие воздуха на 4–5%.

Конструктивно конденсаторы-испарители могут быть следующих типов:

горизонтальные кожухотрубные аппараты:

а) с кипением жидкости внутри труб и с конденсацией снаружи;

б) с кипением снаружи и с конденсацией внутри труб;

вертикальные:

а) бесфланцевые аппараты с кипением в межтрубном пространстве и конденсацией внутри труб;

б) фланцевые ап­параты с кипением кислорода в межтрубном пространстве;

в) бесфланце­вые аппараты с внутритрубным кипением и конденсацией снаружи труб;

так называемые «выносные конденсаторы» делаются часто витыми с ки­пением кислорода внутри труб;

кожухотрубные аппараты оросительного типа с внутритрубным кипением стекающей пленки жидкости и с конден­сацией снаружи труб;

за последнее время появилась тенденция к переходу от кожухотрубных конденсаторов к пластинчато-ребристым.

Горизонтальные конденсаторы-испарители являются мало эффективными аппаратами, так как в них, в связи с затрудненным отводом паров или кон­денсата, блокируется образовавшейся новой фазой поверхность теплообмена, ухудшается теплоотдача с внутренней стороны трубы. Поэтому за редким исключением в установках разделения воздуха применяют вертикальные конденсаторы-испарители указанных выше типов.

На рис. 1 изображен бесфланцевый конденсатор-испаритель с кипе­нием в межтрубном пространстве. Такой тип конденсатора применяют в уста­новках малой производительности, а также в аргонных и криптоновых колон­нах крупных установок. Соединяют конденсатор с колоннами низкого и вы­сокого давления при помощи пайки. Основные размеры аппарата даны при­менительно к конденсатору с поверхностью теплообмена F = 20 мг. Конденсаторы-испарители с кипением кислорода в межтрубном пространстве имеют невысокий коэффициент теплопередачи, равный 500–600 вm/(м2·град). Причиной этого служат прежде всего малая теплоотдача со стороны кипящей жидкости из-за плохой организации парожидкостного потока.

На рис. 2 изображен конденсатор-испаритель F = 760 м2 с кипением кислорода в трубах. Такого типа аппараты в отечественной технике разделения воздуха применяют в крупных установках. В отличие от предыдущих аппараты этого типа не встраиваются в колонны, что позволяет создавать в агрегате требуемую поверхность теплообмена путем изменения не только размеров аппарата, но и их числа. Агрегат БР-1 с номинальной производи­тельностью 12 500 нм3/ч технологического кислорода имеет, например, три основных конденсатора по 760 м2.

В конденсаторах-испарителях с внутритрубным кипением при тепловых нагрузках, обычных для промышленных установок [q > 1200 вт/(м2·град)]г коэффициенты теплоотдачи составляют 700—800 вm/(м2·град).

Основным преимуществом конденсаторов-испарителей данного типа является простота осуществления конструкции с большим отношением (высоты трубы к ее диаметру l/d; при этом можно иметь сравнительно небольшой уровень жидкости, отнесенный к некипящему кислороду, над нижним обрезом труб, чем обеспе­чивается минимальная потеря температурного на­пора в нижней части аппарата, обусловленная гид­ростатическим давлением столба жидкости. Для организации циркуляции жидкости конденсатор имеет в середине циркуляционную трубу. Из цир­куляционной трубы осуществляется также и отбор жидкого кислорода в продукционный – выносной, конденсатор, так как стекающая в циркуляционную трубу жидкость имеет несколько более высокую концентрацию, чем жидкость, поступающая в кон­денсатор из колонны.

Конденсаторы-испарители с внутритрубным кипением могут дополнительно к своей основной функции выполнять также роль парлифта, слу­жащего для подъема кипящей жидкости. Использо­вание конденсаторов в качестве парлифтов дает воз­можность устанавливать колонну низкого давления на одной отметке с колонной высокого давле­ния, обходясь при этом без насоса для подачи флегмы.

Дальнейшее повышение интенсивности тепло­обмена в конденсаторах испарителях может быть достигнуто применением конденсаторов-испарителей оросительного типа (рис. 3). Высокая эффек­тивность конденсаторов-испарителей оросительного типа обусловливается тем, что процесс кипения происходит в жидкости, стекающей по стенке в виде тонкой пленки толщиной δ< 1,5 мм, теплоотдача при которой возрастает вследствие увеличенной час­тоты отрыва пузырьков пара в ней и турбулизации пленки, а также вследствие испарения ее. Кроме того, в оросительных конденсаторах отсутствует депрессия температурного напора и малоэффективная зона подогрева кислорода до температуры кипения. Интенсивность теплообмена особенно возрастает при переходе с парлифтного режима на оросительный при малых тепловых нагрузках. Для тепловой нагрузки, например 1000 вт/м2, коэффициент теплоотдачи возрастает более чем в 2 раза.

 

Рис. 3. Модель конденсатора-испарителя оросительного типа: 1 – рабочие трубы; 2 – распределитель жидкости; 3 – оросительное устройство; 4 – циркуляционный насос.

 

Учебный вопрос № 2. Теплоотдача при конденсации пара

 

При соприкосновении с поверхностью твердого вещества или жидкости, температура которых ниже температуры насыщения, пар конденсируется. Можно различать три вида конденсации на твердой поверхности. На поверх­ностях, хорошо смачиваемых жидкостью, наблюдается пленочная конден­сация, при которой конденсат растекается по поверхности сплошной плен­кой. На несмачиваемой поверхности происходит капельная конденсация, при которой конденсат выпадает в виде отдельных капель. При смешанной конденсации поверхность теплообмена частично покрывается пленкой кон­денсата, а на части ее образуются капли. При капельной конденсации вслед­ствие отсутствия термического сопротивления конденсата теплоотдача более интенсивна, чем при пленочной.

Продукты разделения воздуха (азот, кислород, аргон) принадлежат к числу веществ, хорошо смачивающих металлические поверхности труб конденсаторов и других аппаратов. Поэтому в аппаратах воздухоразделительных установок происходит пленочная конденсация, применительно к которой и рассматриваем процесс теплообмена. Можно считать доказан­ным, что основным термическим сопротивлением, определяющим интенсив­ность процесса, является термическое сопротивление жидкой пленки стекаю­щего конденсата. Такое положение существенно упрощает рассмотрение вопроса и сводит его к исследованию поведения пленки конденсата.

(1)

Нуссельт еще в 1916 г. теоретически вывел зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара на вертикальной стенке для чисто ламинарного стекания пленки конденсата при постоянной темпера­туре теплообменной поверхности и при постоянных значениях на всей по­верхности физических параметров жидкости (теплопроводности, вязкости и плотности). Если определяющей является заданная удельная тепловая нагрузка, эту зависимость удобно представить в следующей критериальной форме:

 

После опубликования работы Нуссельта рядом авторов были проведены экспериментальные исследования теплоотдачи при конденсации паров, а также рассмотрено влияние на теплоотдачу волнового характера стекания пленки. В этих работах в большинстве случаев получались коэффициенты теплоотдачи больше подсчитанных по формуле 1 примерно на 20%. Для длинных труб при достаточно больших тепловых нагрузках получались даже качественные расхождения – коэффициенты теплоотдачи переставали зависеть от тепловых нагрузок вследствие турбулизации стекания пленки. Исследования процесса теплоотдачи при конденсации технического азота, кислорода и аргона, в зависимости от тепловой нагрузки и длины труб позволили установить три различных режима.

При малой интенсивности процесса (Re' ≤ 8·10-14 q/v2 ) визуально было обнаружено, что на поверхности теплообмена высаживаются мельчайшие кристаллы твердых примесей (Н2О, СО2 и др.), которые обычно в небольшом количестве содержатся в жидких чистых продуктах разделения воздуха. Налет кристаллов на поверхности труб вызывает торможение, а следо­вательно, и утолщение стекающей пленки конденсата, что приводит к ухуд­шению теплоотдачи от конденсирующихся паров к стенке. Для этого слу­чая:

(2)

При тепловых нагрузках, для которых Re' ≥ 8·10-14 q/v2 кристаллы с теплообменной поверхности смываются стекающей жидкостью.

При отсутствии влияния на теплообмен налета кристаллов, высаживаю­щихся на теплообменной поверхности, установленная экспериментально зависимость для теплоотдачи аналогична формуле Нуссельта (93) и отли­чается от последней лишь величиной коэффициента пропорциональности. В формулу (93) входит коэффициент, найденный теоретически и равный 0,925. По данным экспериментов, коэффициент пропорциональности С1 = 1,0÷1,12. При этом, чем выше число Re', тем больше С1.

Принимая С1 = 1,0 при ламинарном стекании пленки конденсата по чистой теплообменной поверхности, можно рекомендовать следующую расчетную формулу:

(3)

При больших тепловых нагрузках, когда число Re' больше некоторой критической величины, появляется значительный молярный перенос тепла, и теплоотдача практически не зависит от числа Рейнольдса.

В результате проведенных исследований определено, что

 

Re’кр = 6,22*10-5 Ga0,24 (4)

 

Исходя из уравнений (3) и (4) и наибольшей величины коэффициента пропорциональности С1 = 1,12 в условиях низких температур, для расчета а при конденсации с большими тепловыми нагрузками, можно рекомендовать следующее выражение:

Nu = 0,013 Ga0,413 (5)

 

Присутствие неконденсирующихся примесей даже в малых количествах резко снижает коэффициенты теплоотдачи. Это является результатом блокирования поверхности пленки стекающего конденсата неконденсирующи­мися газами. Скорость подвода рабочих паров к стенке, а следовательно, и скорость теплоотдачи начинают ограничиваться интенсивностью диффузии через образовавшийся газовый слой. Опыт эксплуатации кислородных уста­новок показывает, что присутствие, например, неоно-гелиевой смеси в азоте резко снижает производительность конденсаторов азота. Поэтому в верхней части всех конденсаторов воздухоразделительных установок имеются про­дувочные штуцеры для отвода неконденсирующихся компонентов воздуха. Качественное представление о том, какое влияние на теплообмен оказывает присутствие неконденсирующихся примесей может дать график (рис. 4), показывающий изменение коэффициента теплоот­дачи при конденсации водяного пара в зависимо­сти от количества примеси воздуха.

 

 

Рис. 4. Опытные значения коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара на горизонтальной тру­бе в присутствии воздуха

 

Влияние перегрева паров на теплоотдачу экспериментально и теоретически исследовалось рядом авторов. Было установлено, что если тем­пература охлаждающей поверхности ниже темпе­ратуры насыщения при данном давлении, то, не­смотря на наличие перегрева паров в ядре потока, на стенке происходит конденсация; ядро потока и пленка конденсата обмениваются теплом, вслед­ствие чего ядро охлаждается.

Состояние поверхности стенки также влияет на теплоотдачу при пленочной конденсации. Однако общего метода количественной оценки этого влияния нет, поэтому оно учитывается очень неточно на основе отдельных опытных рекомендаций.

 

Учебный вопрос № 3. Теплоотдача при кипении

 

Кипением называется процесс парооб­разования, происходящий в слое жидкости. В зависимости от тепловой нагрузки может быть пузырьковое или пленочное кипение. При пузырьковом кипении на поверх­ности теплообмена в так называемых цент­рах парообразования возникают отдельные пузырьки. При хорошо смачивающейся поверхности нагрева жидкость подтекает под основание пузырьков и способствует их отрыву от поверхности (рис. 5, а). На несмачиваемой поверхности пузырьки пара имеют широкое основание и достигают перед отрывом больших размеров (рис. 5, б); при этом значительная часть теплообменной поверхности покрывается паром и вследствие его плохой теплопроводности величина коэффициента теплоотдачи будет меньше, чем при кипении хорошо смачивающих стенку жидкостей.

 

 

Рис. 5. Форма паровых пузырьков на смачиваемой (а) и несмачиваемой (б) поверхности.

 

При пузырьковом кипении жидкости ее пограничный слой перемешивается (турбулизируется) образующимися и отрывающимися от стенки па­ровыми пузырьками. Чем больше центров парообразования и чем чаще отры­ваются пузырьки от поверхности, тем интенсивнее становится теплообмен. Число же центров образования паровых пузырьков и частота их отрыва и, следовательно, интенсивность теплоотдачи при кипении зависит от раз­ности температур между поверхностью нагрева и кипящей жидкостью.

По мере движения пузырька вверх через слой жидкости объем пузырька увеличивается обычно в несколько десятков раз. Это доказывает, что значительное количество тепла пузырьку передается от самой жидкости, так как она обычно бывает перегрета. Перегрев жидкости бывает тем выше, чем меньше центров парообразования на поверхности нагрева и в самой жидкости. Центрами парообразования служат на твердой поверхности впадины, ко­торые имеются на ней вследствие ее шероховатости, а жидкости – пузырьки газа или взвешенные в ней твердые частички.

Пленочное кипение возникает при больших тепловых нагрузках и характеризуется образованием сплошного слоя пара между поверхностями нагрева и массой жидкости. Вследствие того, что при пленочном кипении жидкость от поверхности нагрева отделена паровым слоем, имеющим большое термическое сопротивление, интенсивность теплоотдачи при переходе от пузырькового кипения к пленочному резко падает.

Визуальное изучение процесса кипения на единичных вертикальных трубах в большом объеме жидкого кислорода и азота позволили установить следующее: по мере увеличения (от нуля) удельной тепловой нагрузки на стенке рабочей трубы начинается хорошо заметная конвекция прилежащих к ней слоев жидкости. Интенсивность ее с ростом тепловой нагрузки все время увеличивается; наконец, при значении q = 2450 вт/мг (∆t = 4 град) на трубе, в отдельных ее местах, начинается кипение. Дальнейшее увеличение q приводит к быстрому возрастанию числа действующих на стенке центров кипения и в конце концов участки поверхности трубы, на которых происходит конвекция некипящей жидкости, совсем исчезают. При достижении нагрузок порядка qкр1 = 110 000 вт/м2 (при темпера­турном напоре для кислорода ∆tкp = 8,8 град, для азота ∆tкр= 7 град) пузырьковый процесс переходит в пленочный (верхний кризис). Постепенно с увеличением нагрузки трубка приобретает вишневый цвет, затем красный и наконец, становится светло-желтой, что указывает на очень высокую температуру трубки, доходящую до 800° С.

При снижении удельной тепловой нагрузки (от значений q >qкр) пленочное кипение сохраняется до более низких ее значений. Нижний кризис наступает для кислорода при qкp2 = 38 000, а для азота при 16000–17500 вт/м2.

При этих нагрузках происходит разрушение паровой пленки и процесс приобретает пузырьковый характер. При последующем уменьшении q интенсивность парообразования постепенно падает. При q = 1500÷1300 вт/м2 (∆t = 1,8÷1,4 град) парообразование прекращается полностью, после этого процесс возвращается к режиму чистой конвекции.

Область перехода от конвекции жидкости к пузырьковому кипению обладает интересной и практически важной особенностью, которая заключается в наличии своеобразного гистерезиса. При одном и том же значении q зависимости от первоначальной нагрузки процесс идет либо как чистая однофазная конвекция, либо как слабо развитое кипение. Соответственно сильно отличаются и коэффициенты теплоотдачи.

Визуальные наблюдения за движением кипящего кислорода в вертикальных трубах на стеклянных моделях показали, что в нижней части трубы, занятой зоной подогрева, движется светлая жидкость. Затем образуются от­дельные центры парообразования. По мере продвижения вверх парожидкостного потока мелкие пузырьки пара сливаются в крупные и течение пара приобретает «поршневой» характер. Каждый паровой «поршень» дви­гает перед собой жидкостную пробку, в то время, как часть жидкости движется в виде тонкой пленки между «поршнем» и стенкой трубы. С увеличением скорости паров жидкостные пробки разрушаются и форма потока переходит в «стержневую». В этом случае пар движется в средней части трубы, увлекая с собой жидкость, которая поднимается по стенке трубы в виде пленки.

Чем выше скорость пара, тем тоньше двигающаяся по стенке пленка жидкости. При повышении скорости движения паров в трубе, например, вследствие увеличения отношения длины трубы к диаметру l/d и при уменьшении кажущегося уровня Н относительная протяженность трубы, заня­тия «поршневой» и «стержневой» формами течения, увеличивается в резуль­тате сокращения участка пузырькового режима движения и зоны подогрева.

При кипении тонкого слоя жидкости в трубе, толщина которого меньше отрывного диаметра пузырька Do, паровой пузырек может соединиться с паро­вым пространством ранее, чем достигнет отрывного диаметра (рис. 6), что увеличивает частоту зарождения и отрыва пузырьков. Увеличение частоты отрыва пузырьков пара и уменьшение ламинарного подслоя в результате снижения толщины кольцевой пленки жидкости при кипении в трубе, а также испарение со свободной поверхности пленки увеличивают интенсивность теплоотдачи.

Уменьшение отношения l/d (при одинаковой тепловой нагрузке) приводит к снижению скорости движения паров, вследствие этого увеличивается толщина пристенного слоя жидкости и уменьшается часть теплообменной поверхности, занятая кипением и испарением тонкой пленки жидкости.

На рис. 6 показано влияние на коэффициент теплоотдачи геометри­ческих размеров труб при Н = 0,9; для заданной тепловой нагрузки с уве­личением отношения l/d в 5 раз коэффициент теплоотдачи может увеличи­ваться почти в 2 раза. При значениях l/d < 80, механизм кипения в трубе начинает приближаться к меха­низму кипения в большом объеме. Таким образом, коэффициент теп­лоотдачи при кипении в трубах зависит от структуры парожидкостного потока и скорости движения жидкости непосредственно у поверхности теплообмена. В условиях естественной циркуляции структура потока и скорость движения жидкости по всей длине трубы определяются интенсивностью парообразования; при этом скорость движения паров ωвых выходе из трубы связана со всеми факторами, влияющими на процесс теплоотдачи как в зоне кипения, так и в зоне подогрева жидкости.

 

 

Рис. 6. Зависимость диаметра парового пузырька в момент отрыва от толщины слоя кипящей жидкости.

 

Основная особенность гидродинамики процесса кипения в трубах, по сравнению с кипением в свободном объеме, заключается в том, что часть теплообменной поверхности, протяженность которой зависит от тепловой нагрузки, отношения геометрических размеров l/d и кажущегося уровня Н, покрыта быстродвижущимся тонким слоем кипящей жидкости. Наибольшая интенсивность тепло­отдачи наблюдается в самом начале циркуляции, когда из трубы выбрасы­вается небольшое количество жидкости, и вся поверхность ею уже омывается.

При отношении l/d > 500, а также при тепловых нагрузках q = 0,1 qкр (где qкp — критическая нагрузка при кипении в свободном объеме) интенсив­ность теплоотдачи при кипении кислорода в трубах не зависит от Н, однако эти случаи практически в воздухоразделительных установках не встречаются. Для каждого размера труб существует определенный диапазон эффек­тивных рабочих параметров, за границами которого происходит ухудше­ние теплоотдачи из-за прекращения циркуляции или из-за возникновения «сухого режима» работы в верхней части трубы. Поэтому для заданных раз­меров труб и гидродинамических условий существуют вполне определенные эффективные тепловые нагрузки и, наоборот, заданной удельной тепловой нагрузке и кажущемуся уровню отвечает определенный, наиболее эффектив­ный (в смысле теплообмена) геометрический размер трубы.

Явление гистерезиса при переходе от режима, соответствующего одно­фазной конвекции, к кипению в трубах связано с тем, что в зависимости от направления изменения тепловой нагрузки распределение поверхности трубы между зонами подогрева жидкости и кипения различно.

 

Групповое занятие № 3. РЕГЕНЕРАТОРЫ

Учебный вопрос № 1. Принцип действия регенераторов

 

В современных крупных воздухоразделительных установках регене­раторы являются основными теплообменными аппаратами, выполняющими одновременно функции аппаратов для очистки воздуха от влаги и двуокиси углерода.

В регенераторах теплообмен между газовыми потоками происходит через теплоемкую массу – насадку регенератора. В течение первой части цикла по каналам, образуемым насадкой, проходит охлаждаемый газ (прямой поток); при этом тепло от газа передается насадке, в результате чего ее температура повышается. Во второй части цикла по тем же каналам насадки, но в обратном направлении, проходит поток нагреваемого газа (обратный поток). Тепло в этот период передается от насадки к газу и темпера­тура насадки понижается. Охлаждаемым газом является воздух, сжатый до давления 0,54–0,64 Мн/м2, содержащий обычно влаги 4-10-4 – 5,4·10-3% и двуокиси углерода 4,6-10-4–5,8-10-4% по весу. Нагреваемыми газами являются азот и кислород. Оба нагреваемых газа поступают в регенераторы под давлением 0,12–0,13 Мн/м2.

Рассмотренная схема позволяет одновременно с процессом теплообмена дочищать воздух от влаги и двуокиси углерода. Примеси воздуха при ох­лаждении прямого потока конденсируются или кристаллизуются на поверх­ности насадки, а при прохождении нагреваемого газа возгоняются или испаряются и уносятся этим потоком из регенератора.

В регенераторах могут быть созданы условия, при которых для выноса всех примесей воздуха, оставшихся на насадке после прохождения прямого потока, достаточно пропустить через насадку часть обратного потока. Условия, обеспечивающие вынос примесей воздуха частью обратного потока, могут быть созданы в регенераторах с каменной насадкой и встроенными змеевиками. В таких регенераторах часть обратного потока (до 40%), про­водящего непрерывно по змеевикам, участвует только в теплообмене. Во­ время первой части цикла тепло охлаждаемого потока передается насадке (большая часть) и потоку в змеевиках. В течение второй части цикла тепло от насадки передается только обратному потоку; часть тепла от обратного потока передается потоку в змеевиках.

Применяются два способа охлаждения насадки регенераторов: холодным обратным потоком и чередованием прямого и обратного потоков.

Способ охлаждения обратным потоком является наиболее эффективным ввиду отсутствия потока, нагревающего насадку. Однако его можно применять, во-первых, когда для получения холода не нужен воздух, прошедший че­рез регенераторы, и, во-вторых, когда имеется возможность пропустить че­рез регенераторы воздух, охлажденный в холодильном цикле.

Необходимое для нормальной работы регенераторов изменение темпера­туры насадки по высоте регенератора устанавливается после подачи теплого потока. Опытным путем найдено, что обычное чередование прямого и обрат­ного потоков следует начинать после того, как температура потока газа в сере­дине регенератора понизится до 170–180° К. Продолжительность охлажде­ния насадки до подачи теплого потока зависит от того, какое количество воздуха из холодильного цикла подается в регенераторы.

Второй способ охлаждения насадки применяют в установках, работающих по циклу низкого давления, в которых холод получается при расшире­нии в турбодетандере воздуха, прошедшего через регенераторы и затем подо­гретого потоком, называемым «петлевым», отобранным из средней части реге­нератора. После турбодетандера весь воздух направляется либо непосред­ственно в регенераторы, либо предварительно подогревается в других ап­паратах блока разделения, а затем подается в регенераторы. По мере охлаж­дения насадки температура прямого и обратного потоков на холодном конце регенератора понижается.

Во время охлаждения регенераторов их тепловая нагрузка значительно меньше расчетной, поэтому второй член в правой части уравнения, представляющий собой потери холода от недорекуперации, мал и его можно не учитывать. Потери холода в окружающую среду также незначительны. При таких условиях количество тепла, отнимаемое от насадки за один цикл, будет прямо пропорционально разности энтальпий обратного и прямого потоков на холодном конце регенератора и количеству воздуха, пропущенному через регенераторы. Разность энтальпий можно увеличить повышением раз­ности температур на холодном конце регенераторов. Однако при этом ухудшаются условия для выноса обратным потоком влаги и двуокиси углерода, оставшихся на насадке после теплого дутья. Поэтому разность температур, а следовательно, и разность энтальпий не должны быть больше определен­ной величины.

Ниже будет показано, что при сокращении продолжительности цикла улучшаются условия возгонки примесей, оставшихся на насадке после теплообмена вследствие увеличения разности температур между газом и насадкой при неизменной разности между средними за полуцикл температурами пря­мого и обратного газовых потоков.

Посредством сокращения во время охлаждения регенераторов продолжительности цикла создаются условия, при которых, во-первых, интенсивно охлаждается меньшая масса насадки и, во-вторых, допускается увеличение разности температур на холодном конце регенераторов. В результате зна­чительно сокращается продолжительность охлаждения части насадки на холодном конце регенераторов до температуры, при которой обычно работает регенератор. Режим охлаждения регенераторов устанавливается опытным путем.

 

 

Учебный вопрос № 2. Очистка воздуха от воды и двуокиси углерода в регенераторах

 

В регенератор обычно подается сжатый воздух, в котором содержится вода в виде насыщенного пара и взвешенных капель и двуокись углерода в виде ненасыщенного пара.

Непременным условием для перехода воды и двуокиси углерода из одной фазы в другую при движении газовых потоков через насадку регенератора является наличие разности между парциальными давлениями примесей в ядре потока р и у поверхности насадки рн. Если р >рн, то на по­верхности насадки происходит конденсация или кристаллизация примесей воздуха. Когда р <рн, идет процесс испарения или возгонки примесей, находящихся на поверхности насадки в виде пленки жидкости или в виде кристаллов. Чем больше разность парциальных давлений, тем интенсивнее протекает процесс изменения агрегатного состояния вещества.

 

 

Рис. 1. Зоны кристаллизации возгонки двуокиси углерода

 

Рассмотрим, как протекают процессы в различных зонах регенератора. Во время теплого дутья температура воздуха выше температуры на­садки, поэтому в любом сечении регенератора парциальное давление водя­ного пара в ядре потока больше, чем у поверхности насадки, т. е. р >рн. При этих условиях в зоне с температурой насадки выше 273°К происходит конденсация воды на поверхности насадки, а в зоне с более низкой температурой насадки – кри­сталлизация. Капельная влага, содержа­щаяся в воздухе во взвешенном состоянии, задерживается на поверхности верхней части насадки. Вследствие повышения темпера­туры насадки во время теплого дутья сечение, в котором начинается кристалли­зация, перемещается к холодному концу регенератора. При этом одновременно с кон­денсацией паров воды происходит таяние льда, образовавшегося в начале дутья. В зависимости от температурного режима регенератора и температуры воздуха на входе зона вымораживания воды составляет 40–60% от высоты регенератора. По характеру изменения агрегатного состояния двуокиси углерода регенератор можно разделить на четыре зоны.

Для первой зоны характерным является то, что в ней хотя и происходят процессы кристаллизации и возгонки, но к концу теплого дутья двуокиси углерода (СО2) на насадке не остается. Кристаллизация СО2 начинается в сечении, где парциальное давление СО2 в ядре потока р немного выше давления насыщенного пара СО2 при температуре насадки. Ниже этого сечения интенсивность кристаллизации на поверхности насадки зависит от разности парциальных давлений в ядре потока и у поверхности насадки.

Вследствие непрерывного повышения температуры газа и насадки в каждом сечении регенератора во время теплого дутья сечение, в котором начинается кристаллизация СО2, непрерывно перемещается к холодному концу регенератора. Выше этого сечения возникают условия, необходимые для возгонки кристаллов, ранее образовавшихся на насадке, так как рн при повышении температуры насадки становится больше парциального давления СО2 в ядре потока.

Следствием процесса возгонки является увеличение парциального давления СО2 в ядре потока и ускорение кристаллизации на нижерасположенной части насадки. По этой же причине в нижерасположенных сечениях кристаллизация СО2 прекращается при более высокой температуре (рис. 1, кривая АВ).

Во второй зоне все процессы протекают так же, как и в нижней части первой зоны. Отличие состоит лишь в том, что кристаллизация занимает большую часть периода теплого дутья, а возгонка происходит не только во время теплого дутья, но и частично в течение холодного дутья. Возгонка кристаллов СО2, образовавшихся в начале теплого дутья привод к тому что концентрация СО2 в воздухе увеличивается (рис. 2). Максимальная концентрация СО2 в воздухе превышает исходную концентрацию на 55– 60%. Вследствие перемещения СО2 из первой зоны во вторую на поверхности насадки в нижней части второй зоны к концу периода теплого дутья оста­нется основная масса СО2, содержащейся в потоке воздуха. Возгонка этих кристаллов во время холодного дутья происходит с различной скоростью. В начале холодного дутья скорость возгонки наибольшая, а в конце, вследствие понижения температуры газа и насадки, – наименьшая.

В третьей зоне кристаллизация СО2 происходит на насадке в течение всего периода теплого дутья, а возгонка – только во время холодного дутья.

Процессы кристаллизации и возгонки в этой зоне протекают значительно медленнее, чем во второй зоне, так как температура газа и насадки здесь ниже и соответственно меньше разность парциальных давлений. Эта зона распространяется от сечения ///—/// до сечения IV—IV (рис. 2). Хaрактер изменения концентрации СО2 в воздухе во время теплого дутья в одном из сечений третьей зоны показан на рис. 2, б.

 

 

 

Рис. 2. Изменение содержания СО2 в воздухе во время теплого дутья в сечении регенератора, отстоящем от холодного конца на 840 мм (а) и на 240 мм (б)

 

Четвертая зона отличается от остальных тем, что в начале дутья на поверхности насадки конденсируется сжатый воздух. В верхней части зоны сконденсировавшийся воздух немедленно испаряется; окончание испарения последних капель жидкого воздуха на поверхности насадки в нижней части зоны зависит от температурного режима регенераторов. Чем холоднее регенераторы, тем большую часть времени теплого дутья поверхность нижних слоев насадки смочена жидким воздухом. По условиям для возгонки четвертая зона также отличается от других зон. Как показали анализы, проведенные на промышленных и стендовых установках, в газообразном азоте, выходящем из верхней колонны, содержание СО2 настолько мало, что ее не удается определить при помощи имеющихся газоанализаторов. По всей вероятности, СО2 находится в потоке азота только в виде насыщенного пара. В газообразном кислороде СО2 значительно больше (14·10-6÷ 35·10-6 м3 CO2/ м3 О2). При таких количествах СО2 должна быть в виде взвешенных кристаллов и насыщенного пара.

Повышенное содержание СО2 в газообразном кислороде можно объяс­нить тем, что при кипении жидкого кислорода в конденсаторе мелкие кри­сталлы СО2 попадают в газообразную фазу непосредственно или с каплями жидкости и уносятся газовым потоком из кон­денсатора.

Поток азота, подогретый в переохладите­лях и в подогревателе азота, поступает в азот­ные регенераторы ненасыщенным двуокисью углерода. В этом случае возгонка происходит в течение всего периода холодного дутья. В кис­лородных регенераторах условия для возгонки существуют только в начале холодного дутья, пока температура насадки выше температуры обратного потока газа. В обоих случаях мак­симальная скорость возгонки имеет место в на­чале прохождения обратного потока, когда разность температур, а следовательно, и раз­ность, парциальных давлений наибольшая.

Из изложенного выше следует, что в результате переноса СО2 из первой зоны во вторую и частично из второй в третью, про­исходящего во время теплого дутья, основная масса СО2 остается на поверхности насадки в нижней части второй зоны и в верхней части третьей зоны.

Характер изменения по высоте регенератора средней за период теп­лого дутья концентрации СО2 в воздухе показан на рис. 3.

 

Рис. 3. Изменение средней кон­центрации СО2 в воздухе по высоте регенератора

 

 

Учебный вопрос № 3. Способы обеспечения незабиваемости регенераторов

 

Во всех кислородных установках незабиваемость регенераторов достигается уменьшением тем или иным способом разности между средними темпе­ратурами прямого и обратного потоков газов в зоне вымораживания СО2. При сближении температур газовых потоков уменьшается петля гистерезиса и разность между температурами газовых потоков и насадки, т.е. изменяются в благоприятную сторону два фактора, оказывающие наибольшее влияние на интенсивность процессов кристаллизации и возгонки в регенераторах.

Из теплового баланса регенераторов следует, что разность между средними температурами газовых потоков на холодном конце регенераторов и в зоне вымораживания СО2 может быть уменьшена либо отбором из средней зоны регенератора части воздуха, неочищенного от СО2, либо увеличением отношения ε объема обратного потока V*o6 к объему прямого потока Vnp. Соотношение потоков может быть изменено либо по всей высоте аппарата, либо только в нижней части. Увеличение ε также благоприятно влияет на вы­нос обратным потоком примесей, оставшихся на насадке после прохождения прямого потока.

Средние температуры прямого и обратного потоков в зоне выморажива­ния СО2 можно сблизить настолько, что для выноса СО2, оставшейся в регене­раторе после теплого дутья, достаточно будет пропустить через насадку только часть обратного потока (азота или кислорода). Такое сближение температур теплообменивающихся газов целесообразно в том случае, если схема узла регенераторов или конструкция регенератора позволяет осуществить тепло­обмен между сжатым воздухом и потоком, не участвующим в выносе примесей из регенераторов.

В работающих кислородных установках применяют следующие способы сближения температур в зоне вымораживания СО2.

 

а) Отбор части воздуха из середины регенератора

Для обеспечения незабиваемости регенераторов большая часть воздуха выводится из регенератора при температуре, близкой к температуре насыщенного пара, а меньшая – при средней температуре 150–180°К. В регенераторах большая часть воздуха очищается от влаги и СО2, а меньшая – только от влаги. Такой способ сближения температур в зоне вымораживания СО2 применяют в некоторых установках, работающих по циклу низкого давления.

Опытным путем установлено, что длительная работа регенераторов, с насадкой в виде дисков из гофрированной алюминиевой ленты, возможна при разности температур на холодном конце не более 5–6 град. Из теплового баланса следует, что если в верхней части регенератора соотношение потоков ε близко к единице, то указанная разность температур на холодном конце может быть получена при отборе из средней части 8–10% воздуха.

При выборе места отбора воздуха следует учитывать, что следствием приближения места отбора воздуха к холодному концу регенератора является увеличение разности температур между газами и насадкой в средней части, регенератора, что затрудняет создание условий, необходимых для полной возгонки СО2 в зоне начала кристаллизации этой примеси воздуха.

Другим следствием приближения места отбора воздуха к холодному концу регенератора является увеличение доли воздуха, выводимой из регенератора неочищенной от СО2. Эта доля воздуха очищается от СО2 либо в адсорберах, заполненных силикагелем марки КСМ, либо вымораживанием в переключающихся теплообменниках при теплообмене с потоком, направляемым в турбодетандер.

 

 

 

Рис. 4. Схема узла регенераторов с отбором воздуха из средней части и из­менение средних температур прямого и обратного потоков в Q–Т координатах:

1 – адсорберы СО2 и С2Н2; 2 – вымораживатели СО2; 3 – воздух из середины регенератора

 

Более совершенной является очистка воздуха от СО2 в адсорбере, так как в этом аппарате одновременно с адсорбцией СО2 происходит адсорбция углеводородов, являющихся взрывоопасными примесями воздуха. При очистке воздуха от СО2 в вымораживателях необходима дополнительная очистка этого потока от углеводородов.

Схема узла регенераторов с отбором воздуха из средней части и изменение температур прямого и обратного потоков в Q–Т координатах показаны на рис. 4.

 

б) Увеличение отношения объема обратного потока к объему прямого потока

Отношение объема обратного потока к объему прямого потока (ε) может быть увеличено либо подачей в блок разделения части воздуха, очищенного от примесей в специальных аппаратах, либо уменьшением этого отношения в другой паре регенераторов, незабиваемость которой обеспечивается каким-либо другим способом.

Первый способ увеличения применяют в установках, работающих по циклу двух давлений (КТ-1000М, КТ-3600), в которых воздух высокого давления, очищенный от влаги и двуокиси углерода в специальных аппаратах, вводится в блок разделения через теплообменники или через теплообмен­ники и поршневой детандер, а выводится в виде газообразных кислорода и азота через теплообменники и регенераторы. Второй способ увеличения отношения ε применяют во всех воздухоразделительных установках низкого давления, за исключением установок БР-6 и БР-9, для обеспечения незабиваемости кислородных регенераторов.

Для регенераторов ε подбирают таким, чтобы с одной стороны регенера­торы не забивались твердой двуокисью углерода, а с другой – недорекуперация была бы наименьшей. Опытами, проведенными в промышленных и полу­промышленных условиях, установлено, что для регенераторов с насадкой в виде дисков из алюминиевой рифленой ленты с характеристикой, приведен­ной в табл. 1, наилучшим соотношением потоков является ε = 1,03÷1,035.

 

Характеристика насадки опытного регенератора

Таблица 1

Параметры насадки	Верхний пояс	Средний пояс	Нижний пояс
Толщина ленты в мм Высота диска в мм Шаг гофра в мм Высота гофра в мм Угол наклона гофра в град	0,4—0,46 4,71 1,92—2,0	0,4—0,46 3,92 1,5—1,6	0,4—0,45 3,14 1,0—1,1

 

Для регенераторов с другим типом насадки или перерабатывающих больше или меньше расчетного количества воздуха, оптимальное соотношение потоков будет иным.

 

в) Организация петлевого потока по методу тройного дутья

Такой способ сближения температур применяют в установках низкого давления БР-1, БР-5 и БР-1М. Для осуществления тройного дутья необходимо иметь три регенератора. Последовательность прохождения потоков по каждому регенератору следующая:

а) в течение одной трети цикла сверху вниз проходит воздух (теплое дутье), который при теплообмене с насадкой охлаждается и очищается от влаги и СО2;

б) во вторую часть цикла по регенератору пропускается обратный поток (обычно азот), охлаждающий насадку и выносящий примеси, осевшие на насадке во время теплового дутья;

в) после обратного потока через регенератор в том же направлении проходит воздух петли, который дополнительно охлаждает насадку в нижней (холодной) части регенератора, а затем отводится из середины регенератора с температурой 160–180° К через специальные клапаны принудительного действия.

В двух других регенераторах потоки проходят в такой же последовательности, причем в то время как по одному из регенераторов проходит воздух, по другому идет обратный поток, а по третьему – петлевой воздух.

Расположение места отбора петлевого потока относительно холодного конца регенераторов оказывает такое же влияние на теплообмен в регенерато­рах и на их незабиваемость, как и в способе с отбором части воздуха из середины регенераторов.

Для обеспечения незабиваемости регенераторов с тройным дутьем разность температур на холодном конце регенераторов должна быть не более 4–5 град, т. е. меньше чем для обеспечения незабиваемости регенераторов посредством отбора части воздуха из середины регенераторов, так как при тройном дутье ε в нижней части регенераторов значительно меньше.

Петлевой поток при такой разности температур должен составлять 10–12% от прямого потока. Характер изменения средних температур прямого и обратного потоков в Q–Т координатах такой же, как и на рис. 4.

 

 

 

Рис. 5. Схема узла регенераторов с тройным дутьем.

В регенераторах с тройным дутьем иногда организуется так называемая «сквозная петля», при которой часть петлевого потока выводится из регенератора на теплом конце (рис. 5) через специальные петлевые клапаны принудительного действия. Этот поток обычно используется для подогрева чистых продуктов разделения воздуха. Увеличением количества «сквозной петли» по сравнению с количеством чистых продуктов, выводимых через теплообмен­ники, можно повысить количество обратного потока, проходящего через насадку. Сближение температур газовых потоков на холодном конце регене­ратора достигается как увеличением отношения потоков ε, так и отбором пет­левого потока из середины регенератора.

 

г) Подогрев «петлевого» потока в змеевиках, встроенных в регенераторы

В регенераторах с насыпной насадкой сближение температур в зоне вымораживания СО2 может происходить либо при отборе части воздуха из середины регенератора (способ а), либо при подогреве петлевого потока s змеевиках, встроенных в нижнюю часть регенератора. При наличии встроенных змеевиков в качестве петлевого потока может быть воздух, прошедший через регенератор (прямой поток), или азот из нижней колонны (рис. 6). Петлевой поток проходит по змеевикам обоих регенераторов непре­рывно в течение всего цикла. В регенераторах со встроенными, змеевиками может быть организована так же, как и в регенераторах с тройным дутьем, «сквозная петля».

 

 

 

Рис. 6. Схема узла регенераторов с подогревом «петлевого» потока воздуха или азота в змеевиках, встроенных в регенераторы

 

Когда количество продуктов разделения воздуха, выводимых по змееви­кам, встроенным в регенераторы, не превышает 20 % от количества воздуха, проходящего по этим аппаратам в качестве прямого потока, незабиваемость регенераторов может быть обеспечена по способу, изложенному в пункте г. Если количество продуктов разделения воздуха, выводимых по змеевикам, более 20 %, для обеспечения незабиваемости регенераторов следует применять способ, описанный в пункте а.

 

Практическое занятие № 4. РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ КОЛОННЫ

Учебный вопрос № 1. Назначение и состав ректификационных колонн

В ректификационных колоннах воздухоразделительных установок воздух или ранее выделенные из него смеси разделяются на целевые продукты (кислород, азот, аргон и др.) или концевые и промежуточные фракции (обога­щенная кислородом кубовая жидкость, аргонная фракция и др.). Концевые и промежуточные фракции, не являющиеся целевыми продуктами, поступают в последующие по технологической линии колонны или выводятся из уста­новки в качестве побочных продуктов.

В состав установок разделения воздуха может входить от одной до пяти-шести ректификационных колонн, назначение, условия работы и габариты которых различны. Основные (верхняя и нижняя) колонны имеют большие размеры и работают при наиболее низкой в установке температуре. Их кон­струкция существенно сказывается на габаритных размерах блока разделе­ния, потерях холода в окружающую среду через изоляцию и на удельном рас­ходе энергии, а также на удельных металлозатратах на единицу продукта (или перерабатываемого в установке воздуха). Гидравлическое сопротивле­ние верхней колонны влияет на удельный расход энергии в установках низ­кого давления.

При форсировании установок пропускная способность и эффективность действия ректификационных колонн зачастую лимитирует производитель­ность всего блока. Поэтому к выбору расчетных параметров и к эксплуата­ционным характеристикам колонн предъявляются высокие требования.

В термодинамическом и технологическом расчетах установок рассматривают статику процесса ректификации и выявляют балансовые соотношения потоков и необходимые характеристики раздели­тельного действия (например, число теоретических тарелок) соответствующих колонн.

Выбор типа, конструирование и расчет колонн, обеспечивающих задан­ные производительность и разделение при оптимальных размерах и гидрав­лических сопротивлениях этих аппаратов, является самостоятельной зада­чей, для разрешения которой необходим учет кинетики процесса ректифика­ции и гидравлики работы колонн.

В процессе ректификации могут быть применены различные по типу конструкции и по определяющим размерам колонны. Конструкцию и основ­ные размеры колонн выбирают в результате сопоставительных расчетов в зависимости от требований (например, ограничение диаметра из условий транспортирования с завода-изготовителя на место монтажа, ограничение высоты для колонн транспортных установок, ограничение сопротивлений и т. п.).

Расчет основных размеров колонн базируется на положениях теории массообмена и гидравлики.

Смеси разделяются в ректификационной колонне в результате контакта и взаимодействия потоков стекающей по колонне жидкости и поднимающегося из испарителя пара, состоящих из одинаковых компонентов. Ректификация является массообменным (диффузионным) процессом. Противоточное движе­ние фаз в ректификационной колонне вызывает нарушение равновесия между жидкостью и паром, встречающимся в каждом сечении по высоте колонны. При контакте неравновесных по составу фаз происходит перераспределение компонентов смеси между фазами. Равновесие характеризуется равенством химических потенциалов распределяемого компонента в обеих сосуществую­щих фазах. Поэтому естественное, распределение каждого компонента системы направлено к выравниванию его химических потенциалов в обеих контакти­рующих фазах. Разность химических потенциалов является движущей силой процесса, диффузионный поток данного компонента через поверхность кон­такта направляется в сторону фазы с меньшим значением его химического потенциала.

В результате в каждом рабочем сечении колонны происходит процесс контрдиффузии легколетучих компонентов из жидкости в пар, а тяжелолетучих из пара в жидкость. Этот процесс сопровождается изменением темпе­ратур в потоках пара и жидкости по высоте колонны.

 

Учебный вопрос № 2. Классификация ректификационных колонн.

 

Многообразные по конструкции ректификационные аппараты могут быть разделены на группы по двум основным признакам: по способу образования поверхности контакта и по схеме организации контакта и движения потоков жидкости и газа на рабочих элементах колонн.

Классификация по этим признакам не является абсолютно строгой. В реальных аппаратах в результате сложной гидродинамической обстановки основному способу образования поверхности контакта всегда сопутствуют в большей или меньшей мере другие — побочные. Больше того, в одном и том же аппарате в зависимости от нагрузок по жидкости и пару может изме­няться основной способ формирования поверхности контакта. Например, в насадочных колоннах возможен пленочный и эмульгационный режимы. В зависимости от интенсивности нагрузок по жидкости и газу в аппаратах данной конструкции может изменяться также и режим движения потоков. Это обстоятельство не умаляет ценности подобной систематизации, а застав­ляет только учитывать, что аппараты с одним и тем же типом конструкции в зависимости от режима их работы могут относиться к той или иной ее группе.

По способу формирования поверхности контакта ректификационные аппараты могут быть разделены на две большие группы:

в которой основной поверхностью контакта является наружная граница пленок жидкости, смачивающей твердые стенки каналов (насадки) и растекающейся по ним;

по­верхность контакта формируется при дроблении потока одной из контакти­рующих фаз в результате его проникновения через поток другой фазы.

Ректификационные колонны второй группы могут быть, в свою очередь, разделены на аппараты, в которых основная поверхность контакта фаз является граничной: либо для пузырей и газовых струй, образующихся при дроблении потока пара, либо для жидкостных струй, брызг и капель, обра­зующихся при дроблении потока жидкости.

Ввиду большого разнообразия типов ректификационных аппаратов нельзя описать здесь все известные их варианты, поэтому остановимся лишь на тех из них, которые применяются для разделения воздуха.

На рис. 1-3 показаны примеры типов ректификационных аппаратов, относящихся к первой группе приведенной выше классификации. Хотя в этих типах аппаратов различна не только конструктивная схема, но и силовое поле, вызывающее движение жидкости, общим для них является то, что поверхностью контакта служит свободная поверхность потока жидкости, сма­чивающей твердые стенки рабочих каналов.

Тарельчатые колонны по способу образования поверхности контакта, как правило, относятся ко второй группе аппаратов.

Рис. 1. Схема нижней трубчатой пленочной ректификационной колонны воздухоразде-лительного аппарата: В-воздух; R-кубовая жидкость; Ф-флегма верхней колонны

Рис. 2. Насадочная колонна высокого давления установки СКДС-30

 

На рис. 3 показана конструкция ситчатой колонны низкого давления установки СКДС-30, и на рис. 4–7 – конструкции тарелок некоторых дру­гих типов колонн. Колпачковые и провальные решетчатые тарелки в отечественном кислородном машиностроении в колоннах разделения воздуха не используются, так как их изготовление сложней, а эффективность ниже, чем у ситчатых. Колонны, показанные на рис. 4–6, представляют собой раз­новидности барботажных аппаратов. Основная поверхность контакта в них образуется граничной поверхностью газовых включений, проникающих через поток жидкости. В колонне, изображенной на рис. 7, поверхность контакта в основном образуется (при рабочем режиме нагрузок) за счет граничных поверхностей струй, брызг и капель, на которые поток жидкости дробится увлекающим ее газом. Жидкость от газового потока на каждой тарелке отде­ляется при помощи отбойника.

Рис. 3. Ректификационная колонна низкого давления с кольцевыми ситчатыми тарелками (установка СКДС-30)

 

 

По схеме организации контакта и движения потоков в рабочих элементах ректификационные аппараты можно разделить на две большие группы колонн:

с непрерывным (по их высоте или по длине пути каждой из фаз) контактом между жидкостью и паром (см. рис. 1, 2);

2) со ступенчатой организацией контакта, в которых фазы взаимодействуют на некоторых отде­ленных одна от другой ступенях—тарелках, после каждой из которых потоки пара и жидкости разделяются и поступают первый — на вышележащую, а второй — на нижележащую ступени.

Если аппараты первой группы могут иметь (по принципу действия) только противоточное движение потоков жидкости и пара на всем протяже­нии колонны, то в аппаратах второй группы схему движения потоков можно изменять, сохраняя противоток для колонны в целом. Это приводит при оди­наковом балансовом соотношении потоков (характере рабочей линии) для всей колонны к различным соотношениям контактирующих масс жидкости и пара на тарелках различной конструкции и изменяет движущую силу про­цесса — разность концентраций в пределах тарелки.

Рис. 4. Колпачковые тарелки с Рис. 5. Желобчатые круглыми колпачками колпачковые тарелки

 

 

Рис. 6. Решетчатая провальная тарелка

Рис. 7. Конструкция эжекторных тарелок колонны с соплами Вентури: 1 – сопло; 2 – переливной карман; 3 – заборная чаша; 4 –царга (с одной тарелкой) колонны

 

 

По схеме движения потоков в рабочих элементах тарелки можно разли­чать колонны:

1) с противоточным движением потоков, при полном перемешивании потока жидкости по сечению и по высоте зоны контакта; такими аппаратами в первом приближении могут считаться «провальные» дырчатые или решетча­тые колонны (рис. 6);

2) с перекрестным движением потоков жидкости и газа при противопо­ложном (разнонаправленном) направлении течения жидкости на соседних тарелках (например, колонны с диаметральным потоком жидкости, показан­ные на рис. 4 и 5);

3) с перекрестным движением фазовых потоков при однонаправленном движении жидкости на всех тарелках колонны; среди них следует отметить, прежде всего, колонны с кольцевыми тарелками (см. рис. 3, рис. 8-16);

4) с прямоточным движением пара и жидкости в рабочих элементах тарелки (например, эжекторные, рис. 7).

 

 

Учебный вопрос № 3. Конструкция ректификационных колонн промышленных установок разделения воздуха

 

В зависимости от схемы разделительного аппарата (см. главу III) рек­тификационные колонны в нем по-разному сопрягаются с конденсато­рами-испарителями и переохладителями. Только совместная работа всех этих частей разделительного аппарата обеспечивает низкотемпературную ректификацию воздуха. Но каждая из них является самостоятельным аппаратом, отличающимся от других как по назначению и характеру про­текающих в нем процессов, так и по конструкции.

С целью создания необходимого напора для самотека жидкости (под действием силы тяжести) отдельные части разделительного аппарата монти­руют в блоке разделения смещенными по высоте. В аппарате двукратной ректификации, наиболее распространенном в воздухоразделительных уста­новках, ректификационная колонна низкого давления р ≤ 0,167 Мн/м2 располагается над конденсатором-испарителем, а колонна высокого давле­ния р ≤ 0,59 Мн/м2 под конденсатором-испарителем. Из верхней ректифи­кационной колонны жидкий кислород самотеком поступает в испарительную часть конденсатора-испарителя, а сконденсировавшаяся в нем азотная флегма частично самотеком стекает на верхнюю тарелку нижней колонны, а частично собирается в кармане и направляется на орошение верхней колонны.

 

На их конструкции, как и на конструкции ректификационных колонн, рассматриваемых в настоящей главе, в некоторой мере сказывается способ взаимного сопряжения их в разделительном аппарате. Ректификационные колонны отечественных промышленных установок разделения воздуха представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты с ситчатымита­релками, снабженные штуцерами для присоединения к ним соответствующих технологических коммуникаций и контрольно-предохранительных устройств.

Ректификационные колонны малой и средней производительности для уменьшения потерь холода в окружающую среду и сокращения внутриблочных коммуникаций обычно непосредственно объединяют в единый аппа­рат с соответствующими конденсаторами-испарителями. При этом образуется комбинированный аппарат колонного типа, так как его отдельные рабочие элементы располагаются по высоте один под другим. Для краткости такие комбинированные аппараты часто также называют колоннами с соответ­ствующими названиями. Например, «Колонна двукратной ректификации» представляет собой комбинированный аппарат, в котором две (верхняя и нижняя) колонны непосредственно присоединены с помощью пайки мягким припоем или фланцевого соединения к одному конденсатору-испарителю.

Примеры конструкций колонн–комбинированных аппаратов, в каждом из которых только одна ректификационная колонна непосредственно объеди­нена с обслуживающими ее конденсаторами-испарителями, см. на рис. 2 и 3. Эти колонны устанавливают на одной отметке и связывают с помощью трубопроводов в так называемый «Разрезной аппарат двукратной ректификации». В межтрубное пространство верхнего конденсатора колонны вы­сокого давления (см. рис. 2) поступает не кислород, а кубовая жидкость. Образовавшиеся при ее кипении пары подаются в колонну низкого давле­ния. При такой компоновке снижается количество флегмы в обеих колон­нах разделительного аппарата, но уменьшается высота последнего.

Другой пример комбинированного аппарата представляет собой показанная на рис. 8 первая криптоновая колонна установок БР-1, КТ-12 и др., в которой объединены две части ректификационной колонны и конденсатор-испаритель.

В крупных воздухоразделительных установках (производительностью 5000 м3 О2 и выше) верхнюю и нижнюю колонны и конденсаторы-испарители, входящие в состав основного ректификационного аппарата, выполняют в виде отдельно стоящих аппаратов (рис. 9), связанных один с другим соответ­ствующими трубопроводами. При производительности более 15 000 м3/ч (при н. у.) кислорода, чтобы уменьшить высоту блока разделения иногда становится экономически оправданным использование для передачи жидко­сти из аппарата в аппарат газлифта или специальных центробежных насосов, что позволяет установить основные ректификационные колонны на одной отметке.

Конструкция ректификационных колонн зависит от давления, под ко­торым в них протекает процесс ректификации. При низком рабочем давле­нии р ≤ 0,167 Мн/м2 независимо от их диаметра ректификационные тарелки-, закрепляют непосредственно в обечайках корпуса колонны (см. рис. 9). При рабочем давлении р = 0,51–0,71 Мн/м2 тарелки в корпусе крепят лишь в колоннах малого диаметра, чаще же тарелки размещают в специаль­ной, разгруженной от действия давления, тонкостенной цилиндрической обечайке-вставке, укрепляемой в корпусе колонны, воспринимающем давле­ние (рис. 10, 11).

 

 

Рис. 8. Первая криптоновая колонна (для агрегатов БР-1, БР-9 и др.):

1 – конденсатор; 2 – верхняя концентрационная секция ректификационной колонны; 3 – нижняя отгонная секция колонны

 

Способ крепления тарелок в верхних колоннах или во вставках колонны зависит от материала, из которого изготовляют обечайки. До недавнего времени обечайки верхних колонн и вставок изготовляли либо из листовой меди, либо из латуни. На рис. 12 показан способ крепления тарелок диаметром от 500 до 2200 мм в таких обечайках колонн. После установки в ниж­ние зиги внутренней и наружной обечаек распорных латунных колец и припайки их к обечайке устанавливают и выверяют в горизонтальном поло­жении тарелку.

 

Рис. 9. Верхняя колонна установки разделения воздуха БР-5 (изготовленная из латуни).

 

 

После этого закладывают и припаивают прерывистым швом верхние кольца. Тарелки устанавливают последовательно, начиная с ниж­ней тарелки нижней царги корпуса (или вставки). В колоннах диаметром менее 500 мм, в которых каждая тарелка снабжена вытеснительным кол­паком и внутренняя обечайка отсутствует, кольца для крепления тарелок в наружной обечайке изготовляли из латунной проволоки диаметром 5 мм, а теперь делают из трубок. Для колонн диаметром 2200 мм кольца для креп­ления тарелок делают полыми (рис. 13). На рис. 13 показан также способ крепления тарелок в обечайках из аустенитовых сталей (Х18Н10Т, Х14Г14Н3Т), которые применяют заводы кислородного машиностроения для изготовления всех колонн и вставок диаметром более 1000–1400 мм. Ниж­нее кольцо после установки прихватывают точечной сваркой, а верхние приваривают к внутренней и наружной обечайкам прерывистым швом.

 

 

Рис. 10. Нижняя ректификационная колонна установки разделения воздуха КТ-1000М:

1 – корпус колонны; 2 – вставка с тарелками.

 

 

В эксплуатации в отечественных воздухоразделительных установках находится более 100 типоразмеров колонн. Для вновь изготовляемых раз делительных аппаратов предусмот­рено всего 27 типоразмеров колонн с диаметром обечаек 200–3800 мм (для вставок до 3600 мм).

 

По конструкции колонны разделяются на три основных типа. Первый из них объединяет малые ректификационные колонны для рабочего давления ~0,61Мн/м2с тарелками в корпусе. При диаметре корпуса dк= 200÷300 мм расстояние меж; тарелками рекомендуется НT=(60мм, а при dк = 400 мм НN = 80 мм. Рабочие скорости паров при этом составляют wк=0,1 м1сек. Величина диаметра колонн этого типа ограни­чивается условиями технологии их изготовления. Для корпусов диаметром более 400 мм толщина стенки превышает 3–3,5 мм и это затрудняет зиговку обечаек для закрепления в них тарелок. Ректификационные колонны первого типа (р = 0,6Мн/м2) пайкой непосредст­венно присоединяют к конденсаторам-испарителям, аналогично тому, как это показано на рис. 2 для насадочной колонны, работающей при томже рабочем давлении.

Рис. 11. Нижняя ректификационная колонн установки разделения воздуха БР-2

Основные размеры для ректифи­кационных ситчатых колонн второго типа, с тарелками во вставке, рабо­тающих при давлении р=0,6 Мн/м2, приведены ниже.

 

Диаметр корпуса dк в мм
Диаметр обечайки (вставка) dн в мм
Расстояние между тарелка­ми НT в мм

 

Число тарелок и высоту колонн определяют в зависимости от требований к чистоте продуктов разделения и флегмового числа в соответствии с технологическим расчетом установки.

Колонны этого типа могут быть трех различных модификаций. До диаметра

 

Рис. 12. Схема крепления ректификационных тарелок диаметром от 500 до 2200 мм:

1 – наружная обечайка; 2 – кольцо большое; 3 – кольцо малое; 4 – внутренняя обечайка; 5 - тарелка

 

dн = 1800 мм они обычно выполнялись открытыми фланцевыми (см. рис. 11) для непосредственного присоединения к расположенным над ними конденсаторам-испарителям. Колонны большего диаметра монтируют в блоке разделения, как самостоя­тельные, отдельно стоящие аппараты, связанные с другими частями разде­лительного аппарата с помощью трубопроводов. В этом случае применяются или второй модификации — закрытые фланцевые колонны (см. рис. 10), или чаще третьей – закрытые сварные колонны (см. рис. 12).

 

Рис. 13. Крепление ректификационных тарелок: а) для медных и латунных обечаек; б) для обечаек из аустенитной стали

 

Ректификационные колонны третьего типа предназначены для работы при давлении р ≤ 0,167 Мн/м2. Независимо от диаметра (200–3800 мм) они выполняются с тарелками в корпусе. Ректификационные колонны этого типа выпускаются в шести различных модификациях. Первая из них, бесфланцевая колонна с односторонней впайкой или сваркой, предназначена для непосредственного присоединения к конденсатору-испарителю, над которым она располагается. Колонны этой модификации имеют dн ≤ 700 мм и применяются в качестве верхних колонн аппаратов двукрат­ной ректификации. Те же модели колонн, выпускаемые в виде второй бесфланцевой модификации с двусторонней впайкой или сваркой, присоединяются к другим аппаратам обоими торцами корпуса.

Колонны третьей фланцевой модификации выпускаются dн ≥ 1800 мм и присоединяются к расположенным под ними конденсаторам с помощью фланцев, внутренний диаметр которых равен dн.

Колонны четвертой модификации могут выпускаться также в фланцевом исполнении, но для одностороннего присоединения к аппаратам меньшего размера, или с двусторонним переходом к аппаратам меньшего размера.

Наконец колонны dн> 700 мм чаще всего выпускаются в виде закрытых ректификационных колонн, снабженных с обоих торцов нормальными днищами и соединяемых с другими частями разделительного аппарата трубопроводами.

Верхняя часть верхних колонн аппаратов двукратной ректификации, в которой температура рабочих сред ниже температуры конденсации воздуха при давлении 0,1 Мн/мг, чтобы исключить конденсацию воздуха на поверхности колонны, может быть снабжена специальным изоляционным кожухом, заполняемым порошковой изоляцией.

В зависимости от диаметра колонн и их нагрузок по пару и жидкости в них применяют различные конструкции ситчатых ректификационных тарелок. Тип конструкции и основные размеры этих тарелок для всех диа­метров колонн воздухоразделительных установок, выпущенных до 1970 г., определяется отраслевой нормалью НКО-299–64–НКО-309–64.

Рис. 14. Ситчатые тарелки с S-образной перегородкой: а – с центральным сливным стаканом; б – с периферийным сливным стаканом

 

 

В колоннах малого диаметра применяют либо тарелки ректификацион­ные S-образные, либо тарелки ректификационные с колпаком, диск которых изготовляется из одного куска перфорированного листа. Приемные площадки переливного устройства закрываются накладками из листа толщиной б = 0,6÷0,8 мм. Расположение S-образных перегородок на соседних тарел­ках изменяется таким образом, что жидкость (поступая последовательно на тарелки то в центре, то на периферии) по тарелке двигается всегда по направ­лению часовой стрелки (рис. 14). Эти тарелки выпускают диаметром 219 и 289 мм при НT = 60 мм. На сливном патрубке нижней тарелки для созда­ния гидравлического затвора устанавливается подвесная чашка. Сливной патрубок при этом может иметь увеличенную длину (~100 мм).

Тарелки кольцевые с колпаком (рис. 15) изготовляют четырех разме­ров для колонн с внутренним диаметром от 200 до 350 мм со сплошным ди­ском. Для колонн с большим диаметром кольцевые тарелки собирают и: отдельных секторов, число которых определяется удобством раскроя штампованной сетки и конструктивными размерами переливного устройства.

При диаметрах колонн 400 и 500 мм тарелки из шести секторов имеют также вытеснительный колпак и накладку из неперфорированного листа на приемной площадке переливного устройства. При больших диаметрах колонн для направления жидкости и придания жесткости крепления тарелок исполь­зуют внутреннюю обечайку или вставку(см. рис 8-14). Сектора, на ко­торых размещается переливное устройство, изготовляют из неперфорированного (сплошного) листа.

Тарелки ректификационные односливные выполняются как с профиль­ными, так и с прямыми секторными переливными устройствами для колонн диаметрами 700, 850, 1000, 1400 и 2200 мм.

Рис. 15. Кольцевая тарелка с вытеснителем

Тарелки с прямым профильным карманом (кроме колонн диаметром 700 мм) имеют, как правило, подвесную чашку и используются главным образом как ниж­ние тарелки колонн (или их отдельных секций при наличии между ними повышенного расстояния).

Конструкция ректификационных двухсливных тарелок с профильными карманами показана на рис. 16.

Характеристика их основных размеров приведена ниже.

 

№ моделей
Диаметр обечайки
Расстояние между тарелками
№ моделей
Диаметр обечайки
Расстояние между тарелками

 

Большая часть трехсливных тарелок (для колонн диаметром 2800, 3600 и 3800 мм) выпускается также с профильными карманами. Нижние двух- и трехсливные тарелки выпускаются также с прямым карманом и с подвесными чашками для гидравлического затвора.

Профильные карманы соответствуют третьему – безударному типу переливного устройства, а прямые карманы для разных типоразмеров тарелок соответствуют либо первому, либо второму типу устройств.

В колоннах большого диаметра во внутренних обечайках (или вставках) размещаются распределительные бачки для ввода флегмы и кубовой жидкости на двух- или трехсливные тарелки, а также для сепарации жидкости из потока газообразного кислорода, выводимого в регенераторы и т.п.

Ситчатые тарелки изготовляют из меди М3 (в основном тарелки ма­лых размеров), или латуни Л62, а также сплавов алюминия АМцА-М и АМТУ252–57 (для установок, изготовляемых из алюминия). Секто­ры тарелок соединяли друг с другом с помощью пистонов, а отдельные детали с помощью пайки. В послед­нее время эти операции заменяются контактной сваркой, что значительно сокращает трудоемкость изготовле­ния тарелок и приводит к значи­тельной экономии материалов (мед­ной трубки, припоя и т.д.). Для крепления перегородок тарелки и обечайки медных и латунных колонн применяли пайку, которая в колон­нах, изготовляемых из аустенитных сталей, заменена значительно более экономичной точечной электросвар­кой.

Рис. 16. Схема тарелки ситчатойдвухсливной

Большое внимание следует уде­лять конструктивному оформлению ввода и вывода продуктов в колоннах. В верхней части верхней колонны выводится пар азота и вводится азотная флегма. При этом должна быть обеспечена сепарация капельной жидкости из парового потока, выводимого из колонны. В аппаратах большой производительности достаточная сепарация происходит главным образом вследствие увеличенного сепарационного пространства над верхней тарелкой и установки отражателя брызг у штуцера вывода азота.

Азотная флегма входит в колонну с некоторым содержанием пара после дросселирования. Отделяется пар от жидкости в больших колоннах в спе­циальных сборниках-мерниках азотной флегмы, из которых жидкость через калиброванные отверстия поступает на тарелку. В некоторых случаях для уменьшения брызгообразования мерники азотной флегмы заполняют на­садкой. Количество подаваемой в колонну флегмы контролируется по уровню жидкости (над выходным отверстием) в мернике с помощью гампсометра. В малых колоннах азотная флегма подается с помощью простейших направ­ляющих и успокоительных устройств непосредственно на верхнюю тарелку. Для уменьшения брызгового уноса, образующегося как при барботаже, так и при вводе дросселированной жидкости на тарелку, в малых колоннах применяют простейшие сепараторы отбойного типа. В колоннах, выпускавшихся ранее, устанавливали более сложные насадочные сепараторы, малоэффективные из-за вторичного уноса задерживаемой в них жидкости.

В установках малой и средней производительности флегма на верхнюю тарелку нижней колонны поступает непосредственно из конденсатора. Часть ее стекает из трубок конденсатора, другая часть специальным конусным козырьком направляется в карманы для отвода азотной флегмы в верхнюю колонну. Избыток флегмы из карманов направляется обычно через специальную прорезь на приемную площадку (глухой сектор) верх­ней тарелки.

Вставку нижних колонн в корпусе раньше крепили с помощью фланце­вого соединения (см. рис. 10–13). На промежуточный фланец корпуса нижней колонны укладывали паронитовую прокладку, которую после уста­новки вставки затягивали с помощью шпилек и накидного фланца, располагающегося над опорным кольцом вставки. Плотность соединения внутрен­ней вставки с корпусом проверяли, заполняя карман водой. После этого внутреннюю вставку из корпуса вынимали и транспортировали отдельно от корпуса. Корпусы колонн высокого давления, выполняемые ранее из латуни, теперь изготовляют из аустенитных сталей (Х18Н10Т). В колоннах из аустенитных ста­лей применяют менее трудоемкое и более надежное соединение внутренней вставки с корпусом нижней колонны сваркой (рис. 17).

В разрезных колоннах (р ≈0,6Мн/м2) из пространства между кон­денсатором и верхней тарелкой должны отводиться пары в конденсатор колонны низкого давления. В этом случае нужно обеспечить сепарацию ка­пель азотной флегмы от выводимых из колонны паров, иначе нарушается работа, конденсатора-испарителя колонны низкого давления. Для этой цели также используют сепараторы отбойного типа, например, для насадочной колонны высокого давления установки СКДС-30.

Как показывает опыт кислородного машино­строения в СССР и в некоторых других странах (ЧССР, США, ФРГ) целесообразно также изготовле­ние колонн и других аппаратов из алюминиевых сплавов (АМц, АМч5В и др.). ВНИИкимашем разработаны конструкции колонн для установки производительностью 1400 м3/ч кислорода, элементы которой соединяются аргонодуговой сваркой.

Рис. 17. Крепление вставки нижней колонны в корпусе из аустенитной стали

 

При вводе в ректификационную колонну извне или выводе из нее (бо­кового) потока в промежуточном по высоте сечении необходимо обеспечить равномерное распределение этого потока по сечению колонны. В аппаратах малого диаметра можно, не изменяя расстояния между тарелками в месте ввода, ограничиться одним или двумя штуцерами. В колоннах среднего размера (dн ≤ 2000 мм) поток небольшой величины (до 20% от основного потока в колонне) можно ввести в межтарелочное пространство через несколько симметрично расположенных по периметру обечайки штуцеров, связанных с общим кольцевым коллектором (см. рис. 9) для ввода паров обогащенного кислородом воздуха из конденсатора криптоновой колонны. Так как высота межтарелочного пространства ограничена, то па­трубок штуцера в местах присоединения к корпусу колонны деформи­руется до овального сечения с высотой меньше чем расстояние между тарелками.

Равномерное распределение (или отбор) относительно больших потоков пара по сечению тарелки требует в колоннах среднего и большого размера увеличения расстояния между тарелками в месте ввода. В отдельных случаях можно подводить – (или отбирать) поток одновре­менно в межтарелочное пространство нескольких тарелок.

Нижняя часть верхних колонн (не связанных непосредственно с испа­рителем) используется как необходимая емкость по жидкости и паровое про­странство, предназначенное для распределения пара по тарелкам.

В колоннах среднего и большого диаметра высокого давления (р = 0,6 Мн/м2) в нижней части – испарителе обычно барботируется посту­пающий на разделение воздух через кубовую жидкость

 

Тема № 7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГАЗОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В АВИАЦИИ

Лекция № 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВЕЩЕСТВ В ГАЗЕ.

Учебный вопрос № 1. Требования к качеству газов, применяемых в авиации

 

Современные типы воздушных судов ВС РФ снабжены разветвленными бортовыми газовыми системами, играющими важную роль в обеспечении полетов и боевой деятельности авиации.

Поэтому от качества (кондиционности) газов, применяемых для зарядки (заправки) этих систем, во многом зависит работоспособность бортовых газовых систем воздушных судов и выполнение ими заданных функций в соответствии с их назначением, а значит и безопасность полетов, эффективность применения воздушных судов по назначению, боеготовность авиационных частей и соединений.

Качество газов, применяемых для зарядки (заправки) бортовых газовых систем воздушных судов, должно соответствовать требованиям, изложенным в следующих руководящих документах:

ГОСТ 5583-78(«Кислород жидкий технический и медицинский. Технические условия») – качество газообразного медицинского кислорода;

ГОСТ 6331-78 («Кислород жидкий технический и медицинский. Технические условия») – качество жидкого медицинского кислорода;

ГОСТ 9293-74 («Азот газообразный и жидкий. Технические условия») – качество газообразного и жидкого азота;

ГОСТ 8050-85 («Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия») – качество газообразной и жидкой углекислоты;

технической документации на конкретные типы воздушных судов и авиационное вооружение (инструкциях по эксплуатации, руководствах по техническому обслуживанию, технических условиях на специальное оборудование воздушных судов и т.п.) – качество сжатого воздуха и высококондиционного (сухого) сжатого азота.

Применение в бортовых системах воздушных судов и для других целей в авиации Вооруженных Сил РФ некондиционных газов категорически запрещается, является инцидентом и может привести к авиационным происшествиям, срыву выполнения поставленных боевых задач.

Для предотвращения зарядки (заправки) бортовых газовых систем воздушных судов некондиционными газами в авиации ВС РФ предусмотрена трехступенчатая система контроля качества газов, включающая контроль качества газов при их производстве и хранении, при приеме и сдаче газа, а также контроль качества газов и проверку технического состояния средств зарядки (заправки) бортовых газовых систем воздушных судов непосредственно перед их применением.

Основную роль при проведении работ по контролю качества газов играют лаборатории контроля качества газов (стационарные и полевые), располагаемые собственно на стационарных и полевых аэродромах. Поэтому авиационно-техническая часть (АТЧ) должна постоянно проводить работу по усовершенствованию лаборатории и улучшению контроля качества сжатых и сжиженных газов, применяемых в авиации.

 

 

Учебный вопрос № 2. Виды и объемы контроля качества газов, применяемых в авиации.

 

В соответствии с требованиями, определенными соответствующими ГОСТ и другими нормативно-техническими документами, установлены следующие виды и объемы контроля качества газов, применяемых в бортовых системах воздушных судов:

полный;

контрольный.

Полный анализ качества газов предусматривает определение физико-химических показателей в полном объеме и по методике, установленной ГОСТ на данный газ. Полный контроль проводится при наличии соответствующей лаборатории на заводах промышленности, при отсутствии гарантии на получение качественного газа, в арбитражных лабораториях и лабораториях контроля качества газов войсковых частей, имеющих газодобывающие станции с применением высокоэффективных методов очистки и осушки газов.

Контрольный анализ качества газов предусматривает определение физико-химических показателей, наиболее склонных к изменению при производстве, получении, хранении газов, и проводится в авиационно-технических частях.

Для обеспечения постоянного контроля за качеством сжатых и сжиженных газов, упорядочения видов контроля газов и сроков их проведения устанавливаются следующие виды контроля:

производственный и при хранении;

приемо-сдаточный;

аэродромный.

Контроль производственный и при хранении.

Данный вид контроля предусматривает проверку качества газов в процессе их получения на газодобывающих станциях (заводах) типа АКДС, СКДС, ПКДС, ЖКДС, УКС, газификационных установках типа СГУ, ГСГ, а также при длительном хранении запасов газа (в ЦТК, баллонах, ЦЖУ).

При данном виде контроля в процессе получения сжатых и сжиженных газов проверяются:

жидкий медицинский кислород – на объемное содержание кислорода в процентах, на содержание масла, влаги и механических вредных примесей(по ГОСТ 5331-78);

газообразный медицинский кислород – на объемное содержание кислорода в процентах, на содержание вредных примесей, на отсутствие запаха, влагосодержание по температуре точки росы (по ГОСТ 5583-78);

жидкий азот – на объемное содержание азота в процентах, на содержание масла, механических примесей и влагосодержание по температуре точки росы (по ГОСТ 9293-74);

двуокись углерода газообразная;

сжатый воздух – на влагосодержание по температуре точки росы, содержание масла и механических примесей.

По завершении проведения производственного контроля на кислород и азот выдается паспорт.

Результаты контроля качества сжатого воздуха отмечаются в журнале учета работы компрессорной станции.

При хранении проверяют:

жидкий медицинский кислород – при испарении одной трети первоначально залитого в цистерну объема, но не реже одного раза в квартал. Объем контроля тот же, что и при производстве;

газообразный медицинский кислород – через каждые шесть месяцев хранения на запах (выборочно, один баллон из десяти);

жидкий азот – при испарении одной трети первоначально залитого в цистерну объема, но не реже одного раза в квартал. Объем контроля тот же, что и при производстве.

О результатах контроля при хранении жидкого медицинского кислорода и жидкого азота делается отметка в паспорте.

Приемо-сдаточный контроль.

Данный вид контроля предусматривает проверку документов, подтверждающих качество газов, а также проведение отдельных анализов газов при получении их с заводов промышленности, газодобывающих станций (заводов), СГУ, ГСГ, УКС, ЦТК, ЦЖУ.

При данном виде контроля проверяются:

жидкий медицинский кислород – паспорт на жидкий медицинский кислород каждой цистерны;

газообразный медицинский кислород – паспорт на газообразный медицинский кислород каждого баллона; давление и объемное содержание кислорода (выборочно, 2 % от партии баллонов, но не менее двух баллонов от партии на 100 баллонов);

жидкий азот – паспорт на жидкий азот каждой цистерны;

газообразный азот – паспорт на газообразный азот каждого баллона; давление и объемное содержание азота (выборочно, 2 % от партии баллонов, но не менее двух баллонов от партии на 100 баллонов);

двуокись углерода газообразная – паспорт на газообразную двуокись углерода и наличие воды в каждом баллоне;

сжатый воздух – журнал приема и выдачи баллонов, где должна быть сделана запись о давлении и влагосодержании воздуха по температуре точки росы; выборочно давление и температура точки росы.

Аэродромный контроль.

Данный вид контроля предусматривает проверку документов, подтверждающих качество газов, а также состояние средств зарядки (заправки) газами, которые влияют на обеспечение безаварийной эксплуатации воздушных судов.

Аэродромный контроль проводится должностными лицами инженерно-авиационной службы обеспечиваемой авиационной части и дежурным по аэродромно-техническому состоянию полетов, а газообразный медицинский кислород, кроме того, на запах проверяется врачом авиационной части.

При данном виде контроля перед допуском средств зарядки (заправки) газами (АКЗС, УГЗС, АУЗС, ВЗ ЦТК) к применению на воздушном судне проверяются:

жидкий медицинский кислород – паспорт на жидкий медицинский кислород, состояние заправочных шлангов ЦТК, наличие спецодежды, техническое состояние заправочного средства – перед каждым применением цистерны;

газообразный медицинский кислород – паспорт на газообразный медицинский кислород; отсутствие запаха (органолептическим методом), техническое состояние зарядных шлангов и газозарядной станции, наличие спецодежды – перед каждым применением средства;

жидкий азот – паспорт на жидкий азот; техническое состояние заправочных шлангов и заправочного средства – перед каждым применением средства;

газообразный азот – паспорт на газообразный азот, техническое состояние зарядных шлангов и газозарядного средства – перед каждым применением средства;

газообразная двуокись углерода – паспорт на гозообразную двуокись углерода, наличие воды в баллоне (емкости), техническое состояние зарядных шлангов и газозарядного средства – перед каждым применением средства;

сжатый воздух – журнал учет работы газозарядного средства, техническое состояние зарядных шлангов и газозарядного средства – перед каждым применением средства.

Результаты аэродромного контроля отмечаются в журнале учета работы газозарядной станции и журнале учета наполнения и опорожнения цистерны жидким кислородом (азотом).

Контроль качества сжатых и сжиженных газов должен производить специально подготовленный личный состав.

К должностным лицам авиационно-технической части, осуществляющим организацию и контроль качества газов, подаваемых на зарядку (заправку) бортовых систем воздушных судов, относятся:

начальник автомобильной и электрогазовой службы авиационно-технической части;

инженер (старший инженер) по электрогазовой технике авиационно-технической части;

начальник кислородазотдобывающей станции.

Начальник А и ЭГС организует и контролирует работу по проверке качества сжатых и сжиженных газов, применяемых для зарядки (заправки) бортовых систем воздушных судов.

Инженер (старший инженер) по ЭГТ (начальник группы газового обеспечения) отвечает за своевременное и качественное проведение контроля качества сжатых и сжиженных газов и осуществляет непосредственное руководство лабораторией по контролю качества газов, предназначенных для зарядки (заправки) систем воздушных судов.

Начальник кислородазотдобывающей станции отвечает за качество выдаваемых станцией сжатых и сжиженных газов. Он обязан осуществлять контроль качества добываемых на станции и получаемых от предприятий промышленности кислорода и азота.

При отсутствии в части данной станции контроль качества сжатых и сжиженных газов осуществляют лица, назначенные приказом командира авиационно-технической части.

Ответственность за качество газов, заряжаемых (заправляемых) в воздушное судно, несет начальник А и ЭГС части.

 

 

Учебный вопрос № 3. Определение содержания кислорода и азота в газовых смесях.

 

Газоанализаторы, применяемые для определения концентрации кислорода в газах, по принципу действия делятся на следующие группы:

термомагнитные;

деполяризационные;

термохимические;

химические.

В кислородной промышленности наибольшее распространение получили автоматические термомагнитные кислородные газоанализаторы. Отечественная промышленность изготавливает следующие типы термомагнитных газоанализаторов: МГК-4, МГК-6, МН-5132 и др.

Принцип действия термомагнитных кислородных газоанализаторов основан на более высокой (в 150 раз), чем у азота и других газов, магнитной восприимчивости кислорода. При внесении кислорода в магнитное поле его молекулы намагничиваются и начинают притягиваться магнитом. Магнитная восприимчивость кислорода сильно зависит от температуры, с повышением температуры она резко снижается.

Принцип действия термомагнитных газоанализаторов следующий: у стенок камеры холодные молекулы кислорода притягиваются магнитом, а около спирали теплые – не притягиваются. Холодные, двигаясь к полюсам магнита, выталкивают теплые из магнитного поля. В результате образующейся конвекции спираль охлаждается, а ее электрическое сопротивление падает, что в конечном итоге фиксируется вторичным прибором. Поскольку магнитными свойствами обладает лишь кислород, то интенсивность движения газа в камере будет зависеть лишь от содержания кислорода в смеси.

Деполяризационные газоанализаторы работают по следующему принципу. Если к двум электродам, погруженным в электролит, приложено некоторое напряжение, то величина тока в цепи быстро снижается почти до нуля в результате поляризации электродов. При наличии в электролите кислорода в результате диффузии он деполяризует электрод, при этом в цепи возникает так называемый диффузионный ток. Величина тока пропорциональна содержанию кислорода в электролите. Промышленность изготавливает два поляризационных газоанализатора ДПГ-5А-52 и ГДРП, которые используются для анализа кислорода.

Термохимический газоанализатор типа ТХГ-6А применяют для определения малых концентраций кислорода в газах. Принцип действия термохимического газоанализатора основан на измерении теплового эффекта реакции соединения кислорода с водородом в слое катализатора. Количество выделившегося при этой реакции тепла пропорционально количеству кислорода, прошедшего через катализатор.

В авиационно-технических частях определение концентрации кислорода и азота в газовых смесях осуществляют с помощью прибора ПАК и АУ2, принцип работы которого основан на химическом методе определения содержания кислорода и азота в кислородно-азотных газовых смесях. Работа прибора основана на методе Гемпеля, который заключается в поглощении кислорода медью в медно-аммиачном растворе с последующим измерением объема оставшегося газа.

Сущность метода определения концентрации азота основана на поглощении кислорода из газовой смеси щелочным раствором пирогаллола «А» с последующим измерением объема оставшегося не поглощенного азота. Определение процентного содержания азота в газе осуществляется методом поглощения кислорода раствором пирогаллола «А» в том случае, когда кислородно-азотная смесь содержит менее 20 % кислорода. При концентрации кислорода в смеси более 20 % применяется метод, при котором медь взаимодействует с кислородом и окись меди смывается медно-амиачным раствором.

 

Учебный вопрос № 4. Определение содержания ацетилена, масла и вредных примесей в кислороде

 

Ацетилен попадает в блок разделения воздухоразделительной установки с атмосферным воздухом. Среднее содержание ацетилена в 1 м3 атмосферного воздуха колеблется в пределах 0,001…0,1 см3. Вблизи ацетиленовых станций содержание ацетилена в атмосферном воздухе может возрасти до 30 см3/м3.

Ацетилен растворяется в жидком воздухе или в жидком кислороде до предела растворимости, который равен 5 см3/дм3. При содержании в 1 м3 воздуха менее 0,037 см3 ацетилена последний может находится в жидком кислороде только в растворенном виде, что не опасно.

При температуре равной 74 К (-199˚С) ацетилен переходит в твердое состояние и может накапливаться в аппаратах блока разделения воздуха. Система «твердый ацетилен – жидкий кислород» является взрывоопасной! Наличие в этой системе масла уменьшает энергию инициирования взрыва, то есть увеличивает его вероятность.

Причиной взрыва могут быть удары газовых волн, которые возникают при резком открытии или закрытии вентилей, резком повышении давления, быстром вскипании жидкого кислорода или воздуха. Другие возможные причины взрыва – трение и удары частичек твердого ацетилена о стенки и между собой.

При работе воздухоразделительной установки периодически необходимо брать анализ на содержание ацетилена в аппаратах блока разделения. Допустимое содержание ацетилена в жидком обогащенном воздухе – 0,4 см3/дм3, в жидком кислороде из аппаратов блока разделения – 0,04 см3/дм3. В медицинском кислороде согласно ГОСТ 6331-78 содержание ацетилена недопустимо.

Для осуществления контроля содержания ацетилена в жидком кислороде и в воздухе применяют следующие методы:

Хроматографический. Данный метод позволяет с большой точностью и быстро установить содержание ацетилена. Сущность метода заключается в предварительном обогащении микропримесей ацетилена в специальном концентраторе при низкой температуре и использовании высокочувствительного ионизационного способа детектирования. Чувствительность метода 10-8…10-9 об.%.

Экспрессный. Метод основан на адсорбции ацетилена при испарении пробы жидкости стеклотканью, помещенной в сосуд для испарения пробы, последующим поглощением ацетилена при отогревании сосуда поглотительным раствором и колориметрирования окрашенного раствора. Метод рекомендуется для определения ацетилена в условиях:

кислородных установок небольшой производительности;

в период пуска крупных блоков разделения воздуха при недостаточном количестве жидкости в конденсаторах и кубе колонны;

при необходимости проведения экспрессных анализов в условиях возможного быстрого увеличения концентрации ацетилена в колонне воздухоразделительной установки.

Ошибка определения ацетилена экспрессным методом составляет около 30 %.

Адсорбционно-колориметрический. Метод основан на поглощении ацетилена из анализируемого жидкого кислорода адсорбентом с последующим извлечением его из адсорбента газообразным азотом и пропусканием этой газовой смеси через раствор реактива, который улавливает ацетилен и меняет свою окраску при этом. Степень окраски реактива зависит от количества поглощенного ацетилена. По степени окраски реактива, пользуясь колориметрической шкалой прибора, определяется количество ацетилена в анализируемой жидкости.

Конденсационно-колориметрический. Метод основан на вымораживании ацетилена из газообразных продуктов, образующихся при испарении испытуемых жидкостей, возгонке ацетилена и его поглощении аммиачным раствором одновалентной меди с образованием окрашенного коллоидного раствора ацетиленовой меди. Содержание ацетилена в окрашенном растворе определяется колориметрическим методом. Определение ацетилена в воздухе основано на адсорбции ацетилена активированным углем и его вымораживании при температуре жидкого азота, последующей сублимации ацетилена и колориметрическом его определении.

 

Масло попадает в жидкий кислород при его производстве из поршневых компрессоров и детандеров через неплотности поршневых уплотнений. Наличие масла в кислороде недопустимо, так как реакция взаимодействия углеводородных масел с газообразным кислородом является экзотермической и может привести к взрыву.

Определение содержания масла в жидком кислороде производят двумя методами анализа: качественным и количественным.

Качественный метод выражается в том, что определенное количество жидкого кислорода (1 л) наливают в стеклянную колбу и дают ей испариться. После полного испарения пробы кислорода на внутренней поверхности колбы не должно оставаться пленки масла, капель влаги и твердых образований.

Количественный метод заключается в определении количества содержащегося в жидком кислороде или жидком воздухе масла нефелометрическим или люминесцентным методами.

Нефелометрический метод основан на образовании эмульсии при добавлении воды к раствору масла в смеси эфира и уксусной кислоты и сравнении мутности раствора с эталонами искусственной нефелометрической шкалы.

Люминесцентный метод основан на свойстве минеральных масел флуоресцировать под действием ультрафиолетовых лучей. При этом используются приборы:

люминесцентный компаратор ЛК-1;

фотоэлектрический флуориметр ФЛЮМ.

Качество люминесцентного метода зависит от природы растворенного масла, растворителя, типа применяемого прибора. Для проведения анализа с помощью прибора ФЛЮМ дозу испытуемого раствора вливают в кювет прибора, измеряют интенсивность люминесценции раствора и по градуированному графику определяют концентрацию масла в растворе.

При использовании компаратора ЛК-1 сравнивают интенсивность люминесценции исследуемого и эталонного растворов.

Нефелометрический и люминесцентный методы могут применяться также при количественном определении содержания масла в растворителях, используемых для обезжиривания кислородной аппаратуры.

 

Производимый газодобывающими станциями медицинский кислород может содержать не только определенное, но и опасное количество вредных примесей.

Основными вредными примесями газообразного кислорода, которые подлежат определению, являются:

окись углерода (СО);

двуокись углерода (СО2);

озон (О3) и другие окислители;

газообразные кислоты и основания.

Вдыхание медицинского кислорода с концентрациями вредных примесей выше допускаемых ГОСТ приводит к удушью, потере сознания или смерти.

Определение содержания вредных примесей в газообразном кислороде производится при помощи походной лаборатории ПКЛ-1, в комплект которой входит: химическая посуда, приспособления и химические реактивы, позволяющие в короткий срок определить наличие в кислороде указанных вредных примесей.

 

 

Групповое занятие № 2. Приборы для определения влажности и качества газов, применяемых в авиации.

Учебный вопрос № 1. Приборы для определения влажности газов

 

Для измерения температуры точки росы в АТЧ используются следующие приборы:

- указатель точки росы Г-2;

- автоматический фотоэлектронный индикатор влажности газов 8Ш-31;

- кулонометрический индикатор влажности газов 15Ш-26.

Указатель точки росы Г-2 является индикатором влажности воздуха или кислорода.

Прибор выпускается промышленностью в двух модификациях:

- «Только для кислорода» (обозначается 1Д2.772.009-01);

- «Только для воздуха» (обозначается 1Д2.772.009).

ЗАПРЕЩАЕТСЯ прибор, предназначенный для кислорода, использовать для определения влажности воздуха, а прибор, предназначенный для воздуха, использовать для определения влажности кислорода.

Принцип действия прибора основан на переводе исследуемого газа в газ с насыщенным содержанием водяных паров путем понижения его температуры и определения температуры зеркальной поверхности крышки холодопровода в момент выпадения на ней капель воды.

Момент выпадения росы на зеркальной поверхности крышки фиксируется визуально через объектив. Температура крышки в момент выпадения росы определяется по милливольтметру, отградуированному в градусах Цельсия.

Пневматическая схема прибора представлена на рис.1.

 

 

 

Рис.1. Пневматическая схема прибора Г-2:

1-трубопровод; 2-трубка; 3-фильтр; 4-объектив; 5-головка; 6-манометр; 7-вентиль; 8-ротаметр; 9-холодопровод; 10-бачок; 11-крышка.

 

Исследуемый газ подается через трубопровод 1, трубку 2, фильтр 3 непосредственно в измерительную головку 5. Газ омывает зеркальную поверхность крышки 11, представляющую собой отполированную пластинку из красной меди, впаянную в вершину холодопровода 9, изготовленного из того же металла. К середине крышки с внутренней стороны подпаян горячий слой термопары Тп. Термопара изготовлена из хромель-копелевого сплава.

Бачок 10, наполненный жидким кислородом, служит для охлаждения холодопровода. Когда температура поверхности крышки холодопровода достигнет температуры точки росы, содержащаяся в исследуемом газе влага конденсируется и оседает на поверхности крышки в виде тумана. В момент выпадения влаги фиксируются показания милливольтметра, к которому подключена термопара.

Наблюдение за зеркальной поверхностью крышки, подсвечиваемой лампой, ведется визуально через объектив 4. Расход газа при замере устанавливается по ротаметру 8 вентилем 7. Давление в головке контролируется по манометру 6.

Прибор Г-2 является переносным, малогабаритным и состоит из двух частей: милливольтметра и измерительной головки.

Холодопровод охлаждается с помощью жидкого кислорода, заливаемого во время работы в бачок. Скорость охлаждения холодопровода изменяется путем перемещения бачка вдоль холодопровода.

Основным узлом прибора является измерительная головка с холодопроводом и термопарой. Измерительная головка состоит из корпуса, входного штуцера, фильтра и выходного трубопровода. Срез трубки подвода газа направлен на зеркальную поверхность крышки холодопровода. Фиксация трубки в заданном положении осуществляется при помощи штуцера с квадратным сечением.

Автоматический фотоэлектронный индикатор влажности 8Ш-31.

Прибор переносного типа предназначен для непрерывного и периодического контроля влагосодержания воздуха, находящегося под избыточным давлением до 150 кгс/см2. Газ, предназначенный для охлаждения зеркала, должен иметь давление 120…200 кгс/см2.

Конструкция прибора допускает эксплуатацию его при температуре окружающего воздуха от –40 до +500С и относительной влажности до 75%, а также в условиях кратковременного пребывания при повышенной влажности до 98% при температуре окружающего воздуха до +250С.

Температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар становится насыщенным, называется температурой точки росы. При дальнейшем понижении температуры водяной пар становится перенасыщенным, и избыток влаги выпадает в виде росы.

Это явление и используется в приборе, который фиксирует первоначальный момент выпадения росы и одновременно замеряет точку росы водяных паров воздуха.

Состояние насыщения водяного пара в приборе достигается путем охлаждения контролируемого воздуха зеркалом, само зеркало охлаждается специальным устройством.

Момент выпадения росы (момент помутнения зеркала) фиксируется фотоэлектронной системой прибора, в результате срабатывания которой на щитке прибора загорается сигнальная красная лампа «Влажный».

Прибор состоит из следующих основных частей:

- измерительной головки с системой охлаждения;

- блока питания

- электронного блока;

- щитка;

- реохорда.

Все основные части прибора, кроме реохорда, закреплены на каркасе. Реохорд укреплен на щитке и измерительной головке.

Измерительная головка с системой охлаждения (рис. 2) состоит из следующих частей: измерительной головки 1, теплообменника 3, тройника 4, коробки 5 и соединительных трубопроводов.

Измерительная головка предназначена для охлаждения и подогрева зеркала, фиксации момента выпадения росы на зеркало и для контроля температуры зеркала.

В состав измерительной головки входят: головка 14, холодопровод 7, камеры фотоэлементов 16, штуцер подвода воздуха 18, штуцер отвода воздуха 15, тубусы 3, 4, камера осветительной лампы 13, фланцы 10, 11, текстолитовые шайбы 6, 9 и шпильки 8.

Рис. 2. Измерительная головка и система охлаждения: 1-измерительная головка; 2-мипора; 3-теплообменник; 4-тройник; 5-коробка

Холодопровод служит для охлаждения и подогрева зеркала.

 

 

Теплообменник служит для предварительного охлаждения потока воздуха, подводимого к дросселю и представляет собой аппарат змеевикового типа. Он имеет 5 рядов спирально навитых трубок, рассчитанных на рабочее давление до 350 кгс/см2.

Блок питания служит для преобразования и распределения электрической энергии, получаемой от сети переменного тока напряжением 220В, между узлами и блоками прибора.

Электронный блок предназначен:

- для автоматического регулирования заданной температуры зеркала (вместе с термистором и нагревательным элементом);

- для усиления сигнала от фотоэлементов при выпадении росы на зеркало;

- для переключения на щитке зеленой (сухой воздух) или красной (влажный воздух) СИГНАЛЬНЫХ ЛАМП.

Реохорд включен в измерительный мост и служит для задания температуры поверхности зеркала.

Работа прибора 8Ш-31 основана на взаимодействии следующих его схем:

- газовой схемы;

- оптической схемы;

- электрической схема.

Газовая схема прибора (рис. 4) состоит из магистрали контролируемого воздуха и магистрали для охлаждения зеркала.

Воздух, идущий на охлаждение зеркала 9, поступает через входной штуцер, фильтр 16, вентиль 15, теплообменник 13 и дроссель 11, через дюзу которого дросселируется в полость холодопровода 10. Охлаждение зеркала получается при дроссельном эффекте.

Холодный воздух по змеевику обтекает холодопровод и возвращается в межтрубное пространство теплообменника, охлаждая воздух, находящийся в спиральных трубках. После теплообменника воздух через патрубок 3 выходит в атмосферу. Давление в межтрубном пространстве определяется по манометру 14. Контролируемый воздух поступает через входной штуцер, вентиль 1, фильтр 2 в измерительную головку 8 и через вентиль 7, ротаметр 5 и фильтр 6 выходит в атмосферу. Давление воздуха в головке контролируется манометром 4. Фильтр препятствует попаданию атмосферной влаги в головку при отключенном приборе.

Оптическая схема прибора изображена на рис. 5. Световые лучи от лампы 5 попадают на линзу 6 и на светорассеивающее стекло 3. Через светорассеивающее стекло лучи попадают на сравнительный фотоэлемент 1. Линза 6 образует параллельный пучок лучей (лампа находится в ее фокусе), который через диафрагмы 7 попадает на зеркало 8. При отсутствии росы на зеркале параллельный пучок фокусируется линзой 9 на экране 10. Рабочий фотоэлемент не засвечивается. При выпадении на зеркало росы параллельный пучок лучей рассеивается и через линзу, минуя экран, попадает на рабочий фотоэлемент. Происходит расбаланс электрической схемы.

 

 

Рис. 4. Газовая схема прибора 8Ш-31:

1 ,7, 15-вентили; 2 ,6, 12, 16-фильтры; 3-патрубок; 4-манометр на 250 кгс/см2; 5-ротаметр на 0,6-4 л/мин; 8-измерительная головка; 9-зеркало

10-холодопривод;11-дроссель; 13-теплообменник; 14-манометр на 4 кгс/см2.

 

Для компенсации возможного начального светового потока рабочего фотоэлемента при отсутствии росы на зеркале при помощи иглы 4 и диафрагмы 2 подбирается световой поток на сравнительный фотоэлемент.

Выпавшую росу можно наблюдать также визуально через линзу 12, установленную в верхнем тубусе измерительной головки.

Электрическая схема прибора состоит из схемы автоматического регулятора температуры зеркала и схемы фиксации момента выпадения росы на зеркало. Схема предусматривает работу прибора в режимах «Контроль» и «Измерение».

Схема автоматического регулирования температуры (термоканал) предназначена для поддержания температуры зеркала на заданном уровне.

Схема термоканала состоит из измерительного моста, двухкаскадного усилителя, фазочувствительного каскада. Чувствительным элементом измерительного моста является термистор, величина сопротивления которого зависит от температуры.

Двухкаскадный усилитель предназначен для усиления напряжения разбаланса измерительного моста. Фазочувствительный каскад предназначен для включения или выключения нагревательного элемента при отклонении температуры зеркала от заданной по шкале реохорда.

Принцип работы термоканала сводится к поддержанию уравнительного состояния измерительного моста. Равновесие измерительного моста зависит от соотношения сопротивления 4 термистора и частей реохорда. Сопротивление термистора определяется температурой зеркала, а реохорда – положением лимба.

Схема фиксации момента выпадения росы (фотоканал) предназначена для фиксации момента выпадения росы на зеркало. Схема фотоканала состоит из фотоэлементов, делителя, резистора, усилительного каскада, ламп.

 

 

 

 

Рис. 5. Оптическая схема прибора 8Ш-31:

1-сравнительный фотоэлемент; 2, 7-диафрагмы; 3-светорассеивающее стекло; 4-иглы; 5-лампа; 6, 9-линзы; 8-зеркало; 10-экран; 11-рабочий фотоэлемент; 12-линза.

 

Кулонометрический индикатор влажности 15Ш-26

Прибор 15Ш26 представляет собой автоматический, искробезопасный, пылебрызгозащищенный, переносной, показывающий и записывающий прибор для измерения микроконцентраций влаги в воздухе, азоте, кислороде, аргоне, гелии, водороде.

В состав прибора входят:

- датчик Д-1;

- блок питания БП-1;

- вторичный прибор ВП-1 с комплектом ЗИП;

- побудитель расхода газа ПРГ-1;

- измеритель расхода газа ИРГП-2;

- одиночный комплект ЗИП.

Категорически запрещается работа датчика с другими блоками питания и вторичными приборами, не входящими в комплект прибора 15Ш26.

Принцип действия прибора иллюстрирует рис. 6, на котором изображен в разрезе трубчатый чувствительный элемент анализатора влажности с источником питания и измерителем тока.

Во внутреннем канале цилиндрического стеклянного корпуса 1 размещены три платиновые электроды, выполненные в виде геликоидальных несоприкасающихся спиралей. Между электродами нанесена пленка 5 частично гидратированной пятиокиси фосфора Р2О5, обладающая способностью очень хорошо поглощать влагу. Через канал чувствительного элемента в направлении, указанном стрелкой, непрерывно подается анализируемы газ, причем расход газа поддерживается строго постоянным с помощью специальных регулирующих устройств.

Геометрические размеры элемента и расход газа подобраны таким образом, что влага практически полностью извлекается из газа.

Поглощенная влага, соединяясь с веществом пленки, образует раствор фосфорной кислоты с высокой удельной проводимостью. К выводам электродов подключен источник напряжения постоянного тока 9. Величина напряжения превышает потенциал разложения воды так, что одновременно с поглощением влаги ведется ее электролиз.

В установившемся режиме количество поглощений и разложений в единицу времени воды равны и, следовательно, ток электролиза, измеряемый микроамперметром 6, является точной мерой концентрации влаги в анализируемом газе.

Результаты измерения влажности газов при помощи прибора 15Ш26 абсолютны и не требуют калибровки по эталонным газовым смесям.

Комплект прибора представлен на рис. 7. Он состоит из датчика 1, побудителя расхода газа 2, блока питания 3 и вторичного прибора 4.

При разовых или кратковременных (менее 10 ч) замерах влажности газов, находящихся под давлением до 0,3 кгс/см2, последовательно с датчиком подключается побудитель расхода газа ПРГ-1.

При кратковременных замерах влажности питание датчика осуществляется от блока аккумуляторов, встроенного в датчик. При длительных замерах влажности датчик подключается к блоку питания и прибор работает от сети напряжением 220 или 36В переменного тока или напряжением В постоянного тока.

При необходимости записи измерений к блоку питания подключается вторичный прибор ВП-1.

Датчик Д-1 является основным блоком изделия. Он представляет собой искробезопасный, переносной, автоматический, показывающий прибор с автономным источником питания для измерения микроконцентраций влаги в газах. Побудитель расхода газа ПРГ-1 предназначен для просасывания анализируемого газа через датчик при избыточном давлении газа менее 0,3 кгс/см2. Он представляет собой электромагнитный насос мембранного типа. Питание побудителя от сети переменного осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В±10%, частотой 50Гц через однополупериодный выпрямитель.

 

 

Рис.6. Принцип действия прибора 15Ш-26:

1-корпус; 2-электрод контрольной части чувствительного элемента; 3-электрод рабочей части чувствительного элемента; 4-электрод общий; 5-пленка сорбента; 6-микроамперметр; 7-резистор R=100 Ом; 8-шунт микроамперметра; 9-источник питания.

 

Блок питания БП-1 предназначен для питания измерительной схемы датчика прибора стабилизированным постоянным искробезопасным напряжением при работе прибора от сети переменного тока напряжением 220В и 36В±10%, частотой 50Гц или от сети постоянного тока напряжением В.

Блок питания обеспечивает питание измерительной схемы прибора стабилизированным напряжением в пределах 42,5…51,5В и питание нагревателя прибора стабилизированным напряжением в пределах 19,6…24,2В.

Вторичный прибор ВП-1 предназначен для записи показаний датчика прибора во времени и сигнализации о предельных значениях измеряемой влажности.

В качестве вторичного прибора применяется электронный потенциометр КПС2-004ИТ-4 со шкалой 0…10 мВ.

Для использования в данном изделии шкала потенциометра, выполненная в мВ, заменяется новой шкалой, отградуированной в ррm Н2О и в 0С по точке росы.

 

Учебный вопрос № 2. Современные методы и приборы контроля качества газов

 

Существующие методы контроля качества газов можно условно разбить на несколько групп (рис. 8):

Методы

Лабораторно- исследовательские

Инструментальные

Расчет материального баланса

Расчет по удельным показателям

Визуально

Оценка по запаху

Лабораторно- инструментальные

Органолептические

Расчетные

 

 

Рис.8. Классификация методов оценки вредных выбросов

 

Лабораторно-исследовательские методы

Существует большое количество лабораторно-исследовательских методов. Все они основаны на использовании физических и химических свойств отдельных веществ, входящих в состав анализируемых отходящих газов. Наиболее распространенными являются пламенно-ионизационный, импульсный, хемилюминесцентный, кулонометрический, кондуктометрии-ческий, флуоресцентный, фотометрический, калориметрический методы.

Процесс исследования состоит из следующих этапов:

1) отбор анализируемой пробы;

2) транспортировка пробы;

3) анализ пробы;

4) обработка и выводы по результатам анализа.

Метод абсорбционной спектрофотометрии – колориметрия. Данные методы являются оптическими методами, в основе которых лежит использование воздействия электромагнитного излучения на исследуемую пробу. Наиболее распространенными являются методы абсорбционной спектрофотометрии видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучения. При данных методах используются электромагнитные излучения с длиной волн: видимая область спектра 4·10-5...8·10-5см, ультрафиолетовая область спектра 1·10-7… 4·10-5 см, инфракрасная область спектра 8·10-5…3·10-2 см.

Все методы абсорбционной спектрофотометрии основаны на измерении абсорбции (поглощения) электромагнитного излучения с определенной длиной волны исследуемой средой. Максимальное поглощение, соответствующее некоторой определенной длине волны, и тип кривой абсорбции зависят от структуры данной молекулы. Они являются ее специфической характеристикой и могут служить для идентификации молекулы.

Переходя к описанию аппаратуры, техники проведения анализа и использования методов абсорбционной спектрометрии для определения состава отработавших газов, следует разделить их на три группы, соответствующие измерениям в отдельных областях спектра – ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной.

Спектрофотометрия в видимом спектре – колориметрия. Важной особенностью поглощения излучения в видимой области спектра является возможность визуального наблюдения явления. Чтобы исключить зависимость оценки от индивидуальных свойств человеческого глаза, в приборах для измерения интенсивности излучения использованы фотоэлементы и фотоячейки, с помощью которых производится объективная оценка. Сущность колориметрического метода заключается в избирательном воздействии реагирующего вещества на искомое вещество. В результате такого воздействия получаем окрашенный продукт

Спектрофотометрия в ультрафиолетовой области спектра. Принцип работы спектрофотометра ультрафиолетового излучения в основном тот же, что и у приборов, используемых в диапазоне видимого излучения. Он состоит из источника ультрафиолетового излучения, которым чаще всего является водородная лампа, системы разложения света (кварцевая призма или дифракционная решетка), регулируемого окна, камер с репером - эталонным газом и исследуемым газом, детектора, в качестве которого обычно используют фотоэлементы, чувствительные к ультрафиолетовому излучению, и измерительной электросистемы, действующей по принципу компенсации.

Приборы для анализа состава отработавших газов обычно конструируют как двухлучевые. От источника света идут два идентичных пучка лучей, один из которых проходит через газ - эталон, а другой - через исследуемый газ. При помощи системы фотоэлементов определяют разницу проницаемости или поглощения обоих пучков лучей. Для определения содержания в газовой смеси искомого компонента, характеризующегося максимальным поглощением в ультрафиолетовой области спектра, обычно используют эталонную кривую, как и при анализе газов в видимой области спектра (колориметрия).

Спектрофотометрия в инфракрасной области спектра. Оптическая система спектрофотометра инфракрасного излучения идентична схемам вышеописанных приборов. Различие касается качества и конструктивных особенностей отдельных деталей приборов. В качестве источника инфракрасного излучения обычно используют электрически разряженное волокно из агломерированной смеси оксидов цезия, тория, циркония и иттрия. Для детектирования инфракрасного излучения нельзя использовать фотоэлементы или фотоячейки, так как они не реагируют на данную область излучения. Здесь применяют термопары и чувствительные диафрагменные конденсаторы.

Газоанализаторы, действие которых основано на методе абсорбционной спектрофотометрии, позволяют быстро и с достаточной степенью точности определять концентрацию, эти анализаторы приспособлены к автоматическому непрерывному анализу отработавших газов в соответствии со стандартом.

Инструментальные методы

Принцип действия этих приборов также основан на использовании физических и химических свойств.

Измерительные приборы, используемые для анализа, с точки зрения подачи в них проб газов можно разделить на:

приборы для периодических или непрерывных измерений компонентов газов, поступающих непосредственно в прибор;

приборы для периодических измерений компонентов газов, подаваемых в прибор из емкостей, ранее наполненных.

Более удобными являются приборы для непосредственных измерений. Проба газов непрерывно вводится в анализирующую систему. Время, необходимое для определения процентного содержания измеряемого компонента, составляет от 3 до 30 с. Использование инструментального метода позволяет в отличие от лабораторно-исследовательских методов исключить из процессов анализа ряд стадий и практически сразу получить результат.

Органолептический метод

Метод оценки по запаху. Запах может быть определен как ощущение, возникающее в результате взаимодействия химических веществ, присутствующих в пробе, с обонятельной областью человека, расположенной в верхней части носа и регистрируемое в мозгу. Однако не все химические вещества являются пахучими. Характеристиками запаха являются идентификация запаха (определяемость) и его интенсивность. По запаху можно определить - качество (характер запаха) и восприятие (нравится, не нравится, раздражает и т.п.).

Расчетные методы

Все существующие расчетные методы строятся на принципах:

- расчета материального баланса какого либо технологического процесса;

- расчета с использованием удельных показателей.

Расчетный метод определения выбросов имеет следующие преимущества:

- обеспечивает достаточную точность расчетов при незначительных трудозатратах на их выполнение и небольшом объеме исходных данных;

- позволяет определить фактические и ожидаемые концентрации получаемых газов в зависимости от типа установки.

Наиболее простым является метод расчета материального баланса технологического процесса. Суть его заключается в следующем: для конкретного производственного процесса составляется баланс, количество исходных веществ. В этом случае можно получить хорошую сходимость расчетных данных с данными, полученными в ходе проведения фактических замеров.

Методы расчета по удельным показателям. Исходными данными для установления массы примесей служат экспериментальные и расчетные данные о количестве веществ, поступающих в ходе технологического процесса или его отдельной операции, приведенные к единице массы, получаемой продукции, расходуемого материала или к единице времени работы оборудования.

 

Учебный вопрос № 3. Методы измерений и приборный парк

 

Выбор того или иного аналитического метода измерения зависит от цели измерения и требуемой точности окончательных результатов.

Цель проведения опыта накладывает существенные ограничения на выбор метода исследования. При экспресс-анализах используются простые и быстрые методы, при точных исследованиях приходится прибегать к более сложным, более прецизионным и более чувствительны методам. Большое влияние на выбор метода оказывает химический состав и биологические свойства, исследуемой пробы. На выбор метода и точность результатов измерения влияют микроклиматические условия и, прежде всего, температура и влажность воздуха.

Для решения поставленных в работе задач целесообразно применить инструментальный метод и использовать современные газоанализаторы - сигнализаторы, которые позволяют в короткий период и с достаточной точностью накапливать статистический материал, согласуются для последующей обработки данных с ПЭВМ (при применении программного обеспечения, поставляемого изготовителем).

Приборы оперативного контроля состава газов:

Мультигазовый переносной газоанализатор сигнализатор (ГАС) «Комета» предназначен для контроля концентраций газов. ГАС «Комета» выпускаются в следующих вариантах: «Комета» - для контроля кислорода О2 и метана CH4; «Комета-3» - для контроля кислорода О2, метана CH4 и угарного газа CO; «Комета-4» - для контроля кислорода О2, метана CH4, угарного газа CO и сероводорода H2S. На передней панели корпуса ГАС «Комета» расположены: цифровой жидкокристаллический индикатор; кнопка включения питания; камера с газочувствительными сенсорами; кнопка автокалибровки по кислороду; светодиоды, сигнализирующие о превышении допустимых порогов концентрации контролируемых газов; сирена и кнопка выключения сирены. На задней стенке корпуса расположены штуцер для подсоединения насоса и разъем для зарядки аккумуляторов.

 

 

 

Рис. 9. Общий вид газоанализатора «Комета»

 

Основные технические характеристики газоанализатора изложены в табл. 1.

 

 

Микропроцессорный газоанализатор «Инфралайт - МК» предназначен для измерения содержания оксида углерода, углеводородов, диоксида углерода, кислорода, оксида азота в отработавших газах и числа оборотов двигателя автомобилей.

 

 

 

Рис.10. Общий вид прибора «Инфралайт - МК»

 

Область применения прибора обширна, используется в качестве средства контроля токсичности двигателей при проверке технического состояния автотранспортных средств органами контроля и экологическими службами в качестве средства диагностики при регулировке двигателей при их разработке, производстве и техническом обслуживании. Прибор имеет высокую надежность и стабильность показаний, малый вес и энергопотребление, высокая селективность, автоматическая калибровка нулевых показаний, автоматическое отделение влаги, расчёт значения коэффициента избытка воздуха, измерение температуры масла двигателя. Для удобства регулировки двигателя в приборе предусмотрен выносной пульт индикации и управления (табл. 2).

Инфракрасный газовый анализатор «GA - 94» сертифицированный для использования в местах с классом опасности EExibe IIB T3. В настоящее время существуют две модели с диапазонами: 0…5 % или 0… 100 % CH4. Позволяет измерять концентрации таких газов как CH4, СО2 и О2. Используя дополнительные опции измеряется температура окружающего воздуха, атмосферное давление и автоматически вносятся коррективы. При помощи сменных датчиков возможно измерение концентрации H2S, CO, SO2, NO2, Cl2, H2 и HCN с последующей записью результатов в память прибора с автоматической регистрацией времени и даты каждого записываемого измерения. Имеется встроенный насос для забора пробы и встроенная программа калибровки.

Память прибора позволяет сохранить до 800 записей, которые могут быть просмотрены в любое время, данные могут быть перегружены на ПК. Продолжительность непрерывной работы без подзарядки 8…10 часов.

Газодозиметр «Multiwarn - II» предназначен для оперативного контроля концентрации от одного до пяти из 36 газов (горючие газы, алканы, О2, СО, CO2, H2S, NO, NО2, SО2, NН3, HCN, Cl2, COCl2 (фосген), РН3 (фосфин) и др. гидриды, этиленоксид) в промышленных выбросах, технологических процессах, контроле рабочих мест, а также на недостаток и избыток кислорода.

 

 

 

Рис. 12. Панель управления газодозиметра «Multiwarn - II»:

1- жидкокристаллический дисплей; 2 - копки управления;

3 – световой индикатор

 

Имеет до пяти каналов измерения концентрации взрывоопасных токсичных газов и кислорода в окружающем воздухе. Прибор автоматически «узнает» сенсор и настраивается на измеряемый газ. О наступлении опасности и превышении ПДК контролируемого газа прибор сообщает световым и звуковым сигналами. Встроенная память, вмещающая показания за 50 часов работы с интервалом записи от 1 с до 1 ч, обеспечивает сохранность результатов измерений, а наличие компьютерного интерфейса RS-232 дает возможность их последующей обработки. К особенностям следует отнести многофункциональность прибора для измерений, наличие встроенного насоса. На выбор любые 3 из 14 электрохимических сменных сенсоров для 36 газов; один из 2-х ИК сенсоров на СО или Ех (углеводороды с перекалибровкой на любой из 80 газов); микропроцессорный учет перекрестного влияния газов; дополнительное универсальное программное обеспечение; одновременный контроль по 5 газам и тревожная сигнализация по двум порогам на каждом канале; автоматическое распознавание установленного сенсора; русскоязычный интерфейс.

Характеристики ИК- сенсоров :

- электрохимические сенсоры за счет перекрестной чувствительности позволяют контролировать после перекалибровки до 36 газов.

- имеют срок службы 18…36 месяцев с периодичностью калибровки не чаще, чем 1 раз в 3…6 месяцев.

- IR-Ex сенсор позволяет после перекалибровки контролировать один из 80 углеводородов, в том числе ароматические.

 

 

 

Рис. 13. Общий вид газодозиметра «Multiwarn - II»:

1-гнездо для подключения дополнительного рукава; 2–заборный канал

 

Основные технические характеристики, программная структура, перечень измеряемых газов представлены в таблице 3, 4.

 

 

Технические характеристики газоанализатора-сигнализатора «Комета»

Таблица 1

Диапазон измерения	О2	CH4	CO	H2S
1) 0…30% 2) 0…100%	0…3%	0…200 мг/м3	0…50 мг/м3
Погрешность установки порогов	0,2 об.доли	0,2 об.доли	15%	15%
Срок жизни сенсора	10 лет	5 лет	4 года	4 года
Рабочий диапазон температур	1) 0...+50ºC 2) -30...+50ºC
Время непрерывной работы	70 часов
Периодичность поверки	1 раз в год
Гарантийный срок службы	18 мес.
Масса	600 г

 

 

 

Рис. 11. Общий вид прибора «GA - 94»

 

Технические характеристики микропроцессорного

газоанализатора «Инфралайт МК»

Таблица 2

Диапазоны измерений:	Параметры
CO	0…10 %
CH	0…5000 ppm
NO	0…2000 ppm
O2	0…25 %
SO2	0…120 %
Частота вращения коленчатого вала	500…10000 об/мин
Приведенная погрешность:
- для каналов СО, СН	±5 %
- для канала тахометра	±2,5 %
Время установления показаний.	10 сек
Время прогрева (при 20°С)	15 мин.
Питание:
- от сети переменного тока	220 В 50 Гц
- от источника постоянного тока	12В
Средняя потребляемая мощность	12 Вт
Масса	5,5 кг
Межповерочный интервал газоанализатора	1 год

 

 

Технические характеристики газодозиметра «Multiwarn - II»

Таблица 3

Условия окружающей среды	Между 40 и 55°С срок службы электрохимических сенсоров уменьшается и возрастает ошибка измерений.
При работе	700 до 1300 гПА; 10 до 95% отн. влажности
Рекомендованные условия хранения	от 0 до 30°С, от 30 до 80% отн. влажности воздуха
Класс защиты, работа в вертикальном положении	IР 54
Минимальный интервал зарядки	не реже, чем каждые 3 недели
Время работы при 25°С, без тревог и насоса с Ех- и инфракрасными сенсорами	> 8 часов
Громкость акустического сигнала на расстоянии 30 см.	85 dB A
Работа с насосом
- максимальная длина шланга	30м для шланга с внутренним диаметром 4мм; 45м для шланга с внутренним диаметром 5мм
- дополнительное "мертвое" время	2,5м для шланга с внутренним диаметром 4мм; 4,5м для шланга с внутренним диаметром 5мм
Подвод напряжения	2 входа. Пользоваться только зарядными устройствами, разрешенными к эксплуатации фирмой Дрэгер
Размеры с блоком питания (ШхВхГ)	55мм х 110мм х 65мм
Вес	около 1 кг
СЕ - маркировка	Электромагнитная защита (по 891336/EWG) Влияние на IR CO2: <±0,07 об.% Влияние на IR Ех НС: <2х воспр. нулевого пункта Влияние на другие сенсоры меньше воспр. н. п.
Аттестация взрывозащищенности
Multiwarn II без сенсора IR и сенсора CAT Ex:	ЕЕхib IIС Т4, BVS 95. D. 2072, ТUmax =55°С
Multiwarn II с сенсором IR без сенсора CAT Ex:	ЕЕхib IIB+H2 Т4, BVS95.D.2072,TUmax=55°C
- сенсор CAT Ex:	ЕЕх s IIСТ4, BFVS 95.Y.6004X, TUmax=55°C

 

 

Перечень газов, определяемых газодозиметром «Multiwarn - II»

Таблица 4

Газ/пар	Концетрация тестового газа	Показания в % нпв (пеллистор)	Чувствительность в % НВП пропана (инфр.сенсор)	Мониторинг ПДК (инфр.сенсор)
Ацетон	1 об.%		(1)/5	-
Аммиак	6 об.%		-	-
Бензин / норм. бензин (DIN 51635)	0,44 об.%		-	-
Бензол	0.48 об. %		-	-
Бутадиен-1.3	0.44 об.%		(1)/5	-
Изобутан	-	-		-
Норм, бутан	0,6 об. %			-
Бутанон	0,72 об. %		-	-
Бутилацетат	0.48 об.%	12,	(1)/2	-
Циклогексан	0,48 об. %			-
Циклопентан	-	-		-
Диэтиламин	0,68 об. %		-	-
Диэтилэфир	0,68 об. %		(2)/l	-
Уксусная кислота	1,6 об. %			-
Этан	1,1 об.%			-
Этанол(4)	1,4 об.%			(1000 ppm)
Этен	1,08 об.%		(1)/14	-
Этин	0.6 об.%		-	-
Этилацетат	0,84 об.%		(1 )/2	-
Норм. гептан(4)	0,44 об.%			(500 ppm)
Норм. гексан	0,48 об.%			-
Моноксид углерода	4,36 об.%		-	-
Метан	2 об.%		(1)/4	-
Метанол	2,2 об.%			-
Метил -терт -бутилэфир	0,84 об.%		-	-
Нонан	0,18 об.%			-
Октан(4)	0,32 об.%			(500 ppm)
Пенган(4)	0,56 об.%			(1000 ppm)
Пентанол	0,84 об.%		-	-
Пропан	0.84 об.%		(2)	-
Норм пропанол	0,8 об.%			-
Пропен	0,8 об.%		(1)/3	-
Пропиленоксид	0,76 об.%		(1)/3	-
Стирол	0, 44 об.%		(1)/22	-
Толуол	0,48 об.%		(1)/5	-
Ксилол	0,44 об. %		(1)/3	-