Лабораторная работа № 4 охлаждение криогенной жидкости с помощью вакуумирования парового пространства

Одним из способов испарительного охлаждения криогенной жидкости является способ вакуумирования парового пространства над зеркалом жидкости в емкости, который позволяет получать температуру продуктов вплоть до тройной точки. Лабораторная работа выполняется на специально созданном стенде, который оснащен регулирующей и измерительной аппаратурой и обеспечивает наглядность изучения процессов, протекающих в криоген­ной жидкости.

Общие сведения

В настоящее время в машиностроении, металлургии, энергетике, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, ракетно-космической тех­нике и других областях народного хозяйства широко используются такие жидкие криогенные продукты как метан, кислород, аргон, азот, водород и гелий. Промышленные масштабы использования жидких криогенных продуктов обусловили необхо­димость создания различных систем для хранения и выдачи продуктов по­требителям с требуемыми параметрами. Это становится особенно актуаль­ным в связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости на уровне азотных температур.

Особенности хранения жидких криогенных продуктов в резервуарах связаны с изменением их термодинамических параметров вследствие теплопритока из окружающей среды. Наличие теплопритока приводит к испа­рению и потере продуктов, если паровое пространство емкостей сообщает­ся с атмосферой, или к увеличению давления и температуры, то есть, огра­ничению времени хранения при использовании закрытых емкостей.

Испарение приводит не только к потерям продукта, но и к накопле­нию различных менее летучих примесей (например, масла и ацетилена - в жидком кислороде), что может привести к аварийной ситуации. Кроме того, необходимо помнить, что при хранении ряда жидкостей, например, фтора, образующиеся пары нельзя выпускать в атмосферу из-за их высо­кой токсичности (жидкий фтор обычно хранят в емкости, экранированной от теплопритоков извне жидким азотом). При хранении водорода в жидком виде также не допускается попадание его паров в помещение из-за взрывоопасности водорода в смеси с воздухом в широком диапазоне концентраций (от 4 до 74 об. %).

В связи со сказанным задача уменьшения или полного устранения по­терь криогенных продуктов при хранении является весьма важной. Сущест­вует ряд промышленных способов понижения температуры криогенных продуктов: с помощью холодильных установок, с использованием более низкотемпературных продуктов, за счет испарения жидкости – путем вакуумирования парового пространства сосудов или барботирования через жидкость неконденсирующегося слаборастворимого газа (как правило, гелия). Каждый из указанных способов имеет как достоинства, так и недостатки. Поэтому выбор того или иного способа охлаждения производится в каждом конкретном случае с учетом специфики использования криогенного продукта, требуемой холодопроизводительности, температурного уровня продуктов и т. д.

Охлаждение криогенных жидкостей до температур более низких по сравнению с нормальной температурой кипения производят, как правило, с целью увеличения длительности бездренажного хранения (то есть, хране­ния без сброса паров продукта в окружающую среду) или обеспечения однофазного течения криогенных продуктов по длинным магистралям.

При использовании для охлаждения криогенных продуктов внешнего холодильного цикла может быть достигнут практически любой уровень температур продуктов вплоть до тройной точки. Основными недостатками этого способа являются необходимость использования сложного машинного оборудования и его высокая стоимость.

В методе охлаждения с помощью посторонних, более низкотемпературных продуктов на практике из-за доступности и необходимых мер безопасности в качестве криоагента используется только жидкий азот (в частности, азот широко применяется для охлаждения кислорода). Одна­ко в термодинамическом отношении этот способ менее эффективен и сравнительно дорог.

Испарительные способы охлаждения, т.е. вакуумирование парового пространства и барботирование некондесирующегося газа через слой

жидкости, позволяют получать температуру продуктов вплоть до тройной точки. Кроме того, с их помощью можно получить шугу, представляющую смесь кристаллов твердой фазы и жидкости, которую можно транспортировать по трубопроводам.

Наибольшее применение в промышленных криогенных системах получил метод охлаждения путем вакуумирования парового простанства над зер­калом жидкости. Охлаждение вакуумированием является универсальным способом охлаждения криогенных продуктов (в том числе гелия), не требует сложного оборудования, больших капитальных и эксплуатацион­ных затрат. Охлаждение жидкости легко может производиться как в хра­нилище, так и в теплообменнике непосредственно в процессе выдачи продукта потребителю.