Ozhizhenie_gelia_2008_A5_11 (1)

мм, спаянных между собой (рис. 5) по 3 5 шт. и свернутых в спираль (витые теплообменники). Штоки дроссельных вентилей 11, 12 и переливного вентиля 13 (см. рис. 4) удлинены и выведены через верхнюю крышку наружу. В дроссельном вентиле 11 происходит процесс дросселирования водорода, в вентиле 12 дросселируется гелий и затем его жидкость сливается и накапливается в сосуде 8, а пары отсасываются компрессором через теплообменники 3, 4, 5. Вентиль 13 предназначен для регулирования перелива жидкого водорода из ванны 6 в ванну 7 и дополнительного дросселирования при этом.

КМ

ДВ

Сб

Рис. 6. Цикл ожижения гелия с детандерной ступенью

Основными недостатками ожижителей, использующих водородное охлаждение являются повышенная взрывоопасность, относительно высокая сложность установок со встроенным циклом ожижения водорода, невозможность понизить температуру перед дроссельной ступенью ниже 14 К. Поэтому в настоящее время в промышленности бóльшее распространение получили установки, в которых водородная ванна заменя-

11

ется одной или несколькими детандерными ступенями. В зависимости от числа и схемы включения детандеров и различают эти циклы.

Цикл с азотным охлаждением и детандерными ступенями

Впервые идея создания гелиевого ожижителя с детандером была практически осуществлена акад. П.Л. Капицей в 1934г. Принципиальная схема такого цикла представлена на рис. 6.

теплообменник ТО2, в точке 4 разделяется на два потока: первый поток в количестве D1 поступает в детандер, где расширяется до начального давления p1 и второй поток в количестве D2=1-D1, который, пройдя теплообменники ТО3 и ТО4, дросселируется в сборник. После расширения в детандере температура гелия составляет (9 12)К, этот поток присоединяется к обратному потоку гелия, следующему из сборника на всасывание в компрессор и охлаждает прямой поток в ТО3.

Конструктивно поршневой детандер 12 встроен в цилиндр

12

блока ожижения установки (рис. 7), а устройства привода клапанов и торможения 2 располагаются снаружи, на крышке блока и связаны с

ТО2

2 ступень

Д2 ТО5

ТО6

Сб

Рис. 8. Цикл ожижения гелия с детандерными ступенями и двукратным дросселированием

клапанами и поршнем с помощью толкателей. В связи с работой при низких температурах смазка движущегося поршня производится самим сжимаемым газом – гелием (газовая смазка). Конструкции гелие-

13

вых детандеров будут рассмотрены в лабораторной работе 2.

Развитие этой схемы привело к созданию установки с несколькими последовательными детандерными ступенями (каскадами расширения) после азотной ванны, работающими на разных температурных уровнях. Увеличение числа детандеров позволяет повысить термодинамическую эффективность цикла, увеличить коэффициент ожижения, но снижает надежность схемы, усложняет эксплуатацию.

Дальнейшее совершенствование этого цикла привело к замене малоэффективного процесса однократного дросселирования с давления 2,5÷2,7 МПа до 0,11 МПа на двукратное дросселирование (рис. 8), сначала до промежуточного давления 0,6÷0,8 МПа – процесс 8-9, затем дополнительное охлаждение в теплообменнике 9-10 до 5,5 К и окончательное дросселирование до 0,11 МПа непосредственно в сборник жидкости – процесс 10-11. Это позволило понизить температуру гелия перед дросселированием, снизить дроссельные потери, а значит повысить выход жидкости, снизить расход энергии на ожижение.

В установках большой производительности наряду с поршневыми применяются винтовые маслозаполненные компрессоры, а поршневые детандеры заменены одноступенчатыми турбодетандерами, имеющими больший ресурс и надежность. Турбодетандерный агрегат в этом случае не встраивается в блок ожижения, а выполняется в виде отдельного блока с вакуумной теплоизоляцией. Турбодетандеры в отличие от поршневых включаются последовательно (рис. 9). При таком их включении объемный расход гелия сохраняется на достаточно высоком уровне, а теплоперепад на каждом детандере снижается. Это позволяет избежать понижения диаметра рабочего колеса менее 5 см при сохранении приемлемой, не слишком высокой скорости вращения ротора (до 5000 об/с) и в целом достигать хорошего КПД.

Прямой поток после азотной ступени расширяется в турбодетандере ТД1 до промежуточного давления, охлаждается в теплообменнике ТО4, затем расширяется в детандере ТД2 до давления обратного потока р1. Особенностью данной схемы также является установка поршневого детандера Д3 на ожижаемом потоке гелия. Замена дросселирования на более эффективный процесс расширения в детандере позволяет уменьшить удельный расход энергии на 15÷30 %.

Представленная на рис. 9 криогенная гелиевая установка может работать в двух режимах – ожижительном и рефрижераторном. При работе в ожижительном режиме открыт дроссельный вентиль

14

1.3 Расчет цикла ожижения гелия

Задание: Рассчитать гелиевый ожижитель, работающий по циклу с предварительным охлаждением жидким азотом, двумя поршневыми детандерными ступенями, включенными параллельно и концевой дроссельной ступенью с двукратным дросселированием (рис. 8). Построить цикл ожижения в диаграмме Т-s, определить параметры в узловых точках цикла, коэффициент ожижения х, потоки в детандеры D1, D2; потребный расход жидкого азота GN2, производительность компрессора, удельную работу ожижения гелия l (МДж/кг), затраты мощности. Принять, что азот в ванне кипит при давлении рN2, температура выхода парообразного азота из теплообменника ТО1 (точка 21) составляет 290 К.

Исходные данные (см. прил. 1, табл.1): Температура Не после компрессора: Т1=300 К. Давление обратного потока Не р1.

Давление прямого потока Не р2. Давление азота в ванне рN2. КПД детандеров д1 и д2.

Величины недорекупераций на каждой ступени цикла ТI, ТII, ТIII,

ТIV.

Производительность по жидкому гелию GжНе.

Удельный теплоприток через изоляцию на каждой ступени охлаждения q3, кДж/кг. сжатого Не.

Удельная работа ожижения азота N2: lN2=6,5 МДж/кг. N2.

Примечание: при расчете свойства гелия, азота определять по таблицам теплофизических свойств, приведенным в прил. 2 или [1], цикл построить на диаграмме Т-s гелия.

Р е ш е н и е

Данный цикл имеет четыре ступени охлаждения (n=4). Первая ступень является ступенью с внешним источником охлаждения (азотная ванна), вторая и третья – детандерные ступени и четвертая ступень

–дроссельная с двукратным дросселированием.

Вкачестве исходных данных примем вариант №0 (Прил. 1,

табл. 1).

Для расчета параметров ожижителя необходимо построить цикл ожижения гелия в диаграмме Т-s. Определяем положение узло-

16

вых точек цикла на диаграмме и заносим их параметры: давление р, температуру Т и энтальпию h в табл.1.

Рекомендуется следующий порядок определения точек и их нанесения на T-s диаграмму гелия и в табл. 1.

Точка 19 – начало сжатия в компрессоре: давление р1=0,12МПа, температура Т1=300 К, энтальпия определяется по таблицам теплофизических свойств гелия, приведенным в прил. 2, табл. 3.

Точка 1 - нагнетание компрессора: давление р2=2,3 МПа, температура Т1=300 К (сжатие гелия изотермическое).

Точка 3 – выход Не из азотной ванны: давление р2, температура Т3= ТN2 +(2,5 3)К, где ТN2 - температура кипения азота в ванне, при давлении рN2=0,13МПа составляет 79,6К (см. Прил. 2, табл. 5).

Таблица 1

Параметры в узловых точках цикла

Примем Т3= 79,6 +3=82,6 К.

Далее рассматриваем концевую дроссельную ступень охлаждения. Исходя из рекомендаций (табл. 2) задаемся температурой в точке 8 (вход на первое дросселирование) в зависимости от давления прямого потока р2. Примем Т8 = 10 К.

Определяем положение точки 8 на изобаре р2 и ее параметры. Процесс 8-9 – дросселирование газообразного гелия от давле-

ния р2 до промежуточного давления рпр= 0,6 – 1,0 МПа, которое принимается в соответствии с рекомендациями (табл. 3). Точка 9 определяется на изобаре рпр при условии h9=h8. Точка 10 лежит на промежу-

17

точной изобаре рпр, температура гелия перед вторым дросселированием принимается на уровне 5 – 5,5 К. Примем Т10 = 5,2 К.

Точка 11 лежит в области влажного пара и определяется из условия, что h11=h10, а давление равно р1. Параметры точки f соответствуют состоянию насыщенной жидкости при давлении р1, а параметры точки g – сухого насыщенного пара при том же давлении (прил. 2, табл. 1, 2).

Далее можно определить точку 12, она расположена на изобаре р1, а температура в этой точке определяется как Т12=Т9- T41, где недорекуперация на теплом конце теплообменника ТО7 T41 принимается на уровне 0,3 – 0,5 К. В нашем случае Т12=8,97-0,47=8,5К.

Из энергетического баланса контура ТО7+ДВ2+Сб (рис. 8) определяем коэффициент ожижения гелия, приходящийся на 1 кг газообразного гелия входящего в IV ступень охлаждения в точке 7:

меннику ТО7, принимается на уровне 0,5∙q3, кДж/кг.

Затем из теплового баланса теплообменника ТО6 определяем энтальпии в точках 7 и 13 и их расположение на изобарах р2 и р1 соответственно. Для этого необходимо решить следующее уравнение методом подбора температуры в точке 7

h7= h8+(1-x0)( h13- h12)-0,5∙q3.

Уравнение решаем например методом подбора, для этого задаемся рядом значений температуры Т7 (начиная от Т8 в сторону увеличения температуры), определяем энтальпии h7* на изобаре р2 по таблицам теплофизических свойств гелия, температуры в соответствующих точках 13 на изобаре р1 из условия T13=T7- TIV и энтальпии в этих точках h13. Данные заносим в табл. 3. Далее величину h13 подставляем

18

в уравнение для h7 и определяем эту величину. Вычисляем разность h7*- h7,если она превышает заданную точность, необходимо переопределить температуру Т7 и произвести повторный расчет. Точность нахождения энтальпии h7 – первый знак после запятой (0,1).

Таблица 3

Определение точки 7

В данном случае (табл. 3) получаем, что Т7=10,55 К, Т13=9,55К. Определим вспомогательную величину

где k=1,67 – показатель изоэнтропы гелия.

Определяем положение точки 6 – вход на расширение во второй детандер: давление равно р2, температуру определяем по следующей формуле:

Точка 5 – вход во вторую детандерную ступень: давление р2, температура Т5 предварительно определяется по формуле П. Л. Капицы:

Предварительно определенную температуру Т5Капица необходи-

мо сравнить с температурой Т6, если Т5Капица > Т6+5К, то эту температуру принимаем за окончательную температуру в точке 5 Т5=Т5Капица. Если Т5 Капица < Т6+5К, то принимаем Т5=Т6+5К.

19

Принимаем Т5=Т5Капица 28 К.

Далее находим точку 15: давление р1, температура Т15= Т5-TIII=28-2=26К. Температуру в точке 4 можно определить аналогично точке 6 следующим уравнением:

Точки 17 и 18 лежат на изобаре р1. Температуры в этих точках определяются через величины недорекупераций следующим образом:

Т17= Т3- TII= 82,6-5=77,6 К;

Т18= Т1- TI =300-13=287 К.

Удельный поток, поступающий на расширение в детандер Д2 можно определить из энергетического баланса третьей ступени охлаждения (вторая детандернаая ступень, рис. 10), записанного для 1 кг газообразного гелия, входящего в ступень в точке 5

- понижение энтальпии при расширении части потока в детандере Д2

(h s )2 h6 h13 103,71 62,29 41,42 , кДж/кг;

- изотермический эффект дросселирования на выходе из ступени с учетом недорекуперации TIV

hT 7 h13 h7 62,29 48,65 13,64 , кДж/кг; 20