Выбор конструкционных материалов конденсатора-испарителя [5].

Плохое качество конструкций и изделий часто является следствием неправильного выбора материала для заданных условий их эксплуатации. Особенности, характерные для низкотемпературной работы оборудования, предъявляют ряд специфических требований к материалам. Выбор конструкционных материалов производится на основе их механических, физико-химических и технологических свойств. При выборе материалов необходима информация об их стоимости и дефицитности.

Надежность низкотемпературных конструкций, работающих в условиях многократного подъема и сброса давления, зависит от сопротивления материалов усталостному разрушению. Ваза испытаний выбирается в зависимости от условий эксплуатации оборудования. Кроме того, металл криогенных установок, подвергаемых многократному захолаживанию, испытывается на сопротивление термической усталости.

Совместимость с рабочей средой. Использование материалов в любой конструкции возможно только в случае их совместимости с рабочей средой.

Коррозия, коррозионная усталость, коррозия под напряжением, водородное охрупчивание и т. д. могут вызвать повреждения в металле и привести конструкцию к хрупкому разрушению. Сочетание низких температур и радиоактивного облучения, имеющее место в условиях пузырьковых камер и физических установок, из-за изменения механических свойств материалов также может создать проблему совместимости.

Для криогенных конструкций особенно важную роль играет химическое воздействие низкокипящих продуктов на свойства конструкционных сталей и сплавов. Особую сложность проблема совместимости приобретает при выборе материалов для работы в контакте с жидким или газообразным кислородом и другими применяемыми окислителями на основе фтора. Известно, что такие химически активные металлы, как титан и его сплавы, магниевые славы, алюминиевые сплавы при ударном нагружении могут самопроизвольно загораться при контакте с кислородом.

У титановых сплавов возникает активная реакция, алюминиевые сплавы активно реагируют с кислородом только при ударном нагружении. Медные и никелевые сплавы, а также легированные стали не вступают во взаимодействие с кислородом.

Материал обечайки и днища – конструкционная легированная сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 532-72.

Решетка изготавливается из плиты АМцС-12 ГОСТ 17232-71.

Трубки изготавливают из алюминиевого сплава АМцС ГОСТ 4784-74. Наружная поверхность подвергается газотермическому напылению сплавом АМц толщиной 0,5мм. Пористость покрытия - 40-50%. Размер пор не более 100мкм.

Подбор оборудования.

Подбор оборудования производится по атласу технологических схем криогенных установок [8], в зависимости от выбранного типа установки, производительности, давления всасывания, давления нагнетания, потребляемой мощности, мощности электродвигателя. При выборе насоса главным критерием выбора является количество подаваемого вещества.

Компрессор.

Компрессор выбирается по давлению нагнетания (р_наг=20 МПа) и количеству перерабатываемого воздуха (V_B=49,98 м³/мин).

Для воздухоразделительной установки, вырабатывающей 800 кг/час жидкого кислорода, необходимы поршневые компрессоры:

- Марка – 7ВП-20/220

- Завод-изготовитель - «Компрессорный завод», г. Краснодар,

- Производительность при условии всасывания – 19 м³/мин,

- Давление всасывания – 0,1 МПа,

- Давление нагнетания – 22 МПа,

- Потребляемая мощность – 270 кВт,

- Установленная мощность электродвигателя – 315 кВт,

-Количество – 3.

Турбодетандер

- Тип – ДТ-0,8/20,

- Массовая производительность – 1700 кг/ч,

- Давление на входе – 20 МПа,

- Температура на входе – 238 К,

- Давление на выходе – 0,6 МПа,

- Масса –500 кг,

- Частота вращения ротора – 2160 с^-1.

Вывод.

В результате работы произведен расчет воздухоразделительной установки для получения 800 кг жидкого кислорода в час. Расчет заключался в двух основных этапах: расчет блока ректификации и блока охлаждения.

Расчет блока ректификации выполнен на компьютере в программе KOLONNA. С ее помощью определены геометрические, термодинамические и гидродинамические параметры ректификационных колонн. Для осуществления низкотемпературной ректификации воздуха необходимо получать потоки флегмы и пара. Эту задачу в узле ректификации функционально решает конденсатор-испаритель. Для автоматизированного расчета трубчатого конденсатора - испарителя использована программа RKINOT.

Расчет блока охлаждения включал в себя определение параметров узловых точек. Расчет проводился при принятом давлении после компрессора 20МПа. Данная установка может работать при давлении 18 – 20 МПа. Оптимизационный расчет показал, что при давлении 18МПа доля воздуха, идущего на расширение в турбодетандер больше, чем при 20 МПа, площадь теплопередающей поверхности основного теплообменника больше, а суммарные затраты энергии меньше, чем при более высоком давлении. Можно сделать вывод, что данная установка будет работать эффективнее при давлении после компрессора 18 МПа.

Расчет блока комплексной очистки и осушки произведен с учетом, что время регенерации адсорберов совпадало со сменой рабочего, обслуживающего их. Блок комплексной осушки и очистки воздуха будет состоять из двух групп переключающихся адсорберов по два в каждой.

С помощью программы HEAT, разработанной на кафедре произведены расчеты теплообменных аппаратов (переохладителя азотной флегмы, переохладителя кубовой жидкости, теплообменника-ожижителя). Результаты расчетов приведены в приложениях. Основной теплообменник рассчитан вручную.

Произведен подбор оборудования по атласу технологических схем. Компрессор был выбран по давлению нагнетания и количеству перерабатываемого воздуха. Для сжатия необходимого количества воздуха необходимо установить 3 компрессора марки 7ВП-20/220. В конце блока охлаждения устанавливается турбодетандер марки ДТ-0,8/20.