Тепловые процессы
.pdf
Тепло, выделяющееся при сжатии гелия, отводится в холодильнике охлаждающейся жидкостью, а в регенераторе передается насадке регенератора.
Рис. 2.6.3. Рабочее устройство холодильно-газовой машины: 1 – ожижитель; 2 – корпус; 3 – поршень вытеснителя;
4 – регенератор; 5 – цилиндр; 6 – холодильник; 7 – компрессор
В период совместного движения поршня и вытеснителя вниз происходит расширение гелия в пространстве над вытеснителем; при этом температура гелия понижается, что приводит к охлаждению поверхности теплообмена ожижителя
1.
При движении вытеснителя вверх холодный гелий проталкивается через регенератор и холодильник в пространство между поршнем и вытеснителем. При этом насадка регенератора отдает тепло, накопленное ранее, гелию, который, в свою очередь, нагревается.
Описанные процессы происходят за один полный оборот коленчатого вала. При последующих оборотах процессы повторяются и происходит дальнейшее охлаждение поверхности ожижителя. Для наглядного представления
описанного процесса движения поршня и вытеснителя, один оборот коленчатого вала условно разделен на четыре фазы.
I фаза – сжатие. Вытеснитель совершает малое перемещение около крайнего верхнего положения, а поршень перемещается вверх, сжимая гелий во всем рабочем пространстве. (В этой фазе гелий находится, главным образом, в зоне сжатия, между вытеснителем и поршнем.) При сжатии гелий нагревается до 100–150 °С.
IIфаза – переталкивание. Поршень совершает малое перемещение около крайнего верхнего положения, вытеснитель перемещается вниз и переталкивает сжатый гелий, без изменения его объема через холодильник и регенератор в зону расширения. В холодильнике тепло от сжатого гелия отводится наружу охлаждающей жидкостью, а
врегенераторе большая часть оставшегося тепла временно поглощается его насадкой без отдачи тепла во внешнюю среду. Гелий при этом охлаждается до температуры -194 °С за счет холода, накопленного за предыдущие циклы.
IIIфаза – расширение. Поршень и вытеснитель
одновременно перемещаются вниз, пространство над вытеснителем (зона расширения) при этом увеличивается, гелий расширяется и охлаждается до температуры -200 °C.
IV фаза – переталкивание. Поршень совершает малые перемещения около крайнего нижнего положения, а вытеснитель перемещается вверх и вытесняет холодный гелий из зоны расширения в зону сжатия через пазы теплообменника, насадку регенератора и холодильник без изменения объема гелия. При прохождении гелием пазов теплообменника часть холода передается теплообменнику, а остальная часть – насадке регенератора так, что из регенератора гелий выходит с плюсовой температурой.
Таким образом, за каждый рабочий цикл, т. е. за один оборот коленчатого вала, происходит полезная отдача холода внутренним пазам теплообменника, а неиспользованный холод гелия с температурой (-194)–(-196) °С, который не был передан теплообменнику, передается насадке регенератора; гелий принимает тепло насадки, которое было передано ей во
146
второй фазе. При последующих оборотах коленчатого вала фазы повторяются и происходит дальнейшее охлаждение теплообменника ожижителя и насадки регенератора, которая со стороны ожижителя принимает температуру около -194 °С, а со стороны холодильника (-30)–(-40) °С. Процесс накопления холода длится 2–5 мин после пуска машины.
При работе машины насадка регенератора выполняет роль аккумулятора по накоплению той части холода, которая не может быть передана теплообменнику ожижителя. Этот холод используют для охлаждения гелия после его сжатия в первой фазе. От правильной работы регенератора зависит эффективность работы всей машины.
ПРОЦЕСС ОЖИЖЕНИЯ ГАЗОВ (ВНЕШНИЙ ПРОЦЕСС)
Ожижение газов осуществляют в ожижителе. Процесс ожижения протекает следующим образом: холод, полученный в зоне расширения в третьей фазе, передается в четвертой фазе поверхности корпуса теплообменника ожижителя, имеющего большое количество внутренних и наружных пазов для увеличения поверхности передачи холода от гелия к металлу теплообменника. Ожижаемый газ поступает во внутреннюю полость ожижителя и, омывая холодные стенки корпуса теплообменника со стороны наружных пазов, охлаждается и ожижается.
Ожижаемый газ автоматически поступает в ожижитель изза разности давлений, вызванной низкой температурой на наружной поверхности теплообменника и во всей полости ожижения. При ожижении всегда засасывается такое же количество свежего газа, сколько ожижалось, т. е. ожижитель автоматически засасывает строго требуемое количество газа.
ХАРАКТЕРИСТИКА КРИОГЕННОЙ ГАЗОВОЙ МАШИНЫ ЗИФ-1002
Холодопроизводительность по жидкому азоту (на температурном уровне -195,8 °С) – 1,22 кДж/с.
Производительность по жидкому азоту – 10±1 л/ч. Чистота азота не менее 99,5 %.
Используемый хладагент – технический гелий.
Количество гелия в машине – 30 г.
Рабочее давление гелия в компрессор – 2,3 МПа.
Расход охлаждающей жидкости (минимальный) – 1,0 м3/ч.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
После ознакомления с основами процесса получения жидкого азота и устройством ЗИФ-1002, проводят испытание установки.
При испытаниях измеряют следующие параметры (см. рис. 2.6.2):
1.Количество охлаждающей воды, протекающей через холодильник, по показаниям ротаметра 16 с последующим пересчетом по тарировочной кривой.
2.Температуру воды на входе и выходе из холодильника замеряют хромель-копелевыми термопарами, с выводом на КСП с точностью до 0,5 °С.
3.Температуру воздуха в помещении.
4.Силу тока в цепи питания электродвигателя по показаниям амперметра.
5.Производительность установки по скорости
заполнения сосуда Дьюара жидким азотом. Результаты замеров заносят в таблицу по форме 2.6.1.
148
Форма 2.6.1
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
Пока- |
Расход |
Температура |
Показ |
Мощ- |
Время |
|
п/п |
зания |
охлажда |
охлаждающей |
ания |
ность, |
запол- |
|
|
рота- |
ющей |
воды |
ампер- |
потре- |
нения |
|
|
метра |
воды, |
|
|
метра, |
бляемая |
сосуда |
|
|
Gх, |
|
|
I, |
электро- |
Дьюа- |
|
|
м3/ч |
до |
после |
А |
двигате- |
ра, τ, |
|
|
|
холодил |
холодил |
|
лем, Nэ, |
с |
|
|
|
ьника, |
ьника, |
|
кВт |
|
|
|
|
tвх, |
tвых, |
|
|
|
|
|
|
°С |
°С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Определяют тепловую нагрузку холодильника
Qx = Gx cp(tвых – tвх),
где Qx – тепловая нагрузка холодильника, кДж/с; Gx – расход охлаждающей воды, кг/с; tвх, tвых – температура охлаждающей
воды на входе и выходе из холодильника соответственно, °С;
ср @ 4,19 кДж/(кг×°С) – теплоемкость воды при средней температуре.
2. Находят расчетную холодопроизводительность из энергетического баланса установки
Q0 = Qx – Nэ,
где Q0 – расчетная холодопроизводительность установки, кДж/с; Nэ = 
3UI cosϕηэ – мощность электродвигателя, кВт;
U – напряжение в сети, 380 В; I – величина тока (снимаемая по показаниям амперметра), А; hэ – КПД электродвигателя
(hэ = 90 %), cosj = 0,9.
3. Определяют производительность установки по жидкому азоту
GN2 = ρNτ2Vд ,
где ρN 2 = 804,3 кг/м3 – плотность жидкого азота; Vд – объем
сосуда Дьюара, м3; τ – время, в течение которого наполнялся мерный сосуд Дьюара, с.
4. Определяют действительную холодопроизводительность установки
Qд = GN2 (iN2t1 − iN2t2 ) + GO2 (iO2t1 − iO2t2 ), |
|
|
где GN 2 ,GO2 |
– производительность установки по жидкому |
|
азоту и жидкому кислороду соответственно, кг/с. |
|
|
Величину |
GO2 определяют из условий, что |
состав |
ожижаемого воздуха 76,5 % азота и 23,5 % кислорода. |
|
|
iN2t2 ,iO2t1 – энтальпии азота и кислорода при температуре |
||
окружающей |
среды и атмосферном давлении, |
Дж/кг |
(определяют по диаграммам T-S для азота и кислорода); iN2tс
– энтальпия жидкого азота при атмосферном давлении, Дж/кг; iO2t2 – энтальпия кислорода на выходе из машины при атмос-
ферном давлении и температуре, измеренной хромелькопелевой термопарой с выводом на КСП, кДж/кг.
5. Рассчитывают потери холодопроизводительности Q0 при сливе жидкого азота
|
|
Q = |
Q0 |
− Qд |
100%. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
0 |
|
Q0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
6. |
Находят |
действительный |
удельный |
расход |
|||||
электроэнергии на ожижение азота |
|
|
|
|
|||||
|
|
Nуд |
= |
Nэ |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
GN2 |
|
GN 2 – |
||
где |
Nэ – мощность электродвигателя, кВт; |
||||||||
производительность установки по жидкому азоту.
7. Определяют холодильный коэффициент идеального цикла Стирлинга
εи = Т Tж Т ,
охл − ж
150
где Тохл – средняя температура охлаждающей воды, К; Тж – температура жидкого азота при атмосферном давлении, К.
8. Холодильный коэффициент действительного цикла
Стирлинга определяют по соотношению
Q
εд = Nд .
э
9. Термодинамический КПД цикла находят из формулы
ε
ηу = ε д .
и
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
∙термодинамические основы обратного цикла Стирлинга с изображением цикла в диаграммах P-V и T-S;
∙характеристики и краткое описание криогенной газовой машины ЗИФ-1002;
∙таблицу результатов испытаний;
∙расчеты величин, перечисленных в разделе «Обработка результатов эксперимента».
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1)Что понимают под глубоким охлаждением? Для чего его применяют?
2)C помощью каких холодильных циклов возможно достижение глубокого охлаждения?
3)Какой холодильный цикл положен в основу работы воздухоразделительной установки ЗИФ-1002?
4)Какие термодинамические процессы включает в себя цикл Стирлинга? Как их изображают на диаграммах P-V
и T-S?
5)Из каких аппаратов состоит воздухоразделительная установка ЗИФ-1002? Для чего их применяют?
6)Какой хладагент используют в данной установке?
7)Каково устройство и роль регенератора?
8)Из каких фаз состоит процесс получения глубокого холода?
9)Где происходит ожижение газа?
10)Что называют холодопроизводительностью установки?
11)Что называют холодильным коэффициентом цикла?
12)Что понимают под термодинамическим КПД цикла?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М.: Химия, 1987.
2.Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973.
3.Микулин Е.И., Марфенина И.В., Архаров А.М. Техника низких температур. – М.: Энергия, 1975.
152