10.8 Расчет процессов захолаживания

1. Оценка времени захолаживания при полном усвоении энтальпии потока

М_М – масса криогенной системы

С_М – эффективная теплоемкость системы

G – расход среды в процессе захолаживания

Tl – температура жидкости

Т* - температура, при которой происходит выброс среды из системы

Сp_l – теплоемкость жидкости

T₀ – начальная температура системы

Cp_v – теплоемкость пара

Положим, что G=const, Cp_Mf(T)

Используя первый закон термодинамики, запишем:

Т

изменение энтальпии затраты энергии на увеличение энтальпия на нагрев пара до того

потока температуры жидкости испарение как он покинет

систему

аким образом, время захолаживания:

, где

- относительный недогрев жидкости

- относительный перегрев пара

Время захолаживания увеличивается при T_l=T_s и T*=T_s.

2. Захолаживание длинных магистралей

М_М – масса материала магистрали

М_М/L – масса на единицу длины

dM_M=(M/L)dz – масса элемента длины

При захолаживании газом

3. Захолаживание систем при конечных значениях коэффициента теплоотдачи

Запишем баланс тепла:

Таким образом, расчет производится в следующей последовательности:

1. Определение коэффициентов теплоотдачи _wi; Определение T_wi;

2. Определение ;

3. Определение теплоемкости ;

4. Определение Δτ_i;

5. Определение суммарного времени захолаживания

Примечание: коэффициент теплоотдачи _wi зависит от T_wi,, вида конвекции, расхода теплолоносителя G, массового паросодержания х, режима течения.

10. Охлаждение криогенных жидкостей

Рассмотрим процессы охлаждения криогенных жидкостей до температуры ниже начальной. Эти процессы обычно используют, чтобы увеличить время хранения жидкости без потерь, так как при нагреве от охлажденного состояния до равновесного она не испаряется. Существует три основных способа охлаждения жидких криопродуктов: вакуумирование парового пространства; барботирование охлажденным газом; использование внешних источ­ников охлаждения.

Вакуумирование парового пространства.

Наибольшее распространение получил метод вакуумирования, который иногда называют "испарительным охлаждением". Основное преимущество метода — простота технологической схемы и оборудования, надежность.

Понижение температуры при откачке паров, находящихся над зеркалом жидкости, обусловлено термодинамическими свойствами двухфазной системы пар — жидкость. В этой области для каждого вещества существует однозначная зависимость Т = f (р), т. е. каждому значению давления паров соответствует строго определенная равновесная температура; при этом меньшим давлениям соответствуют меньшие значения температуры, и наоборот.

В процессе откачки паров над жидкостью в адиабатных условиях давление понижается, и происходит интенсивное испарение жидкости, сопровождающееся поглощением теплоты, которая отбирается от оставшейся жидкости, что приводит к по­нижению ее температуры.

В итоге устанавливается новое равновесное состояние Т = f (р) м.б. дать индекс i при более низких значениях давления и температуры. Таким образом, откачка паров приводит к тому, что часть жидкости теряется в процессе испарения, обеспечивая понижение температуры оставшейся части.

Испарительное охлаждение используют не только для более эффективного хранения криогенных жидкостей, но и как метод для получения низких температур и криогенных веществ в твердом состоянии. В последнем случае откачку паров проводят до давления ниже давления тройной точки.

Технически реализуются два способа:

Запишем уравнение теплового баланса при охлаждении жидкости в баке:

М – масса жидкости в баке

Cp_l – теплоемкость жидкости

r_ev – теплота парообразования

T – температура жидкости

Индекс "0" – начальное значение величины

Например, при охлаждении кислорода от температуры 90.2 К до 70 К расходуется 15% жидкости.

Данная зависимость относится к идеализированному процессу без учета потерь. Реальный процесс вакуумирования происходит при наличии ряда потерь, основные из которых связаны с неравновесностью процесса испарения, гидросопротивлением на линии вакуумирования и теплопритоками.

Гидросопротивление магистрали откачки приводит к уменьшению количества откачиваемых паров, так как давление перед вакуумным насосом ниже, чем над зеркалом жидкости. Теплопритоки определяют конструкцией емкости и качеством теплоизоляции.

Весьма существенны потери от неравновесности процесса испарения. При откачке температура паровой фазы и поверхностного слоя жидкости ниже среднемассовой температуры жидкости. Жидкость как бы перегрета относительно паровой фазы, и ее состояние внутри объема не успевает следовать за изменением состояния поверхностного слоя.

В результате давление в паровой полости оказывается ниже равновесного давления при данной температуре жидкости, соответственно ниже и плотность откачиваемых паров. В итоге производитель­ность системы уменьшается, и время вакуумирования увеличивается.

Барботирование неконденсирующимся газом.

Барботажное охлаждение (рис. 7.17) эквивалентно испарительному охлаждению, однако в этом случае испарение жидкости происходит внутрь газообразной барботирующей среды, пропускаемой через охлаждаемую жидкость.

В качестве барботирующей среды обычно применяют гелий, который практически не растворяется в других жидкостях и остается в газообразном состоянии. Разомкнутая схема барботажного охлаждения включает емкость с гелием, который предварительно охлаждается до температуры, близкой к температуре жидкости. Такая схема характеризуется большим расходом гелия, но обладает высокой надежностью и простотой. Барботаж можно осуществлять и по замкнутой схеме с малым расходом гелия. Гелий и пары жидкости при этом циркулируют в рефрижераторной установке, включающей компрессор и ряд теплообменных аппаратов. Охлаждение барботажем обычно применяют для жидкого водорода.

Из-за массообмена, связанного с разностью концентраций среды на границе и в центре, возникает перенос тепла за счет испарения, этот тепловой поток идет на понижение температуры жидкости в баке.

Интенсивность массообмена:

При барботировании происходят следующие процессы:

1. за счет массообмена происходит снижение температуры жидкости;

2. пузыри с гелием движутся вверх, вызывая движение жидкости (ее перемешивание), следовательно, происходит выравнивание температурного поля по высоте бака;

3. жидкость насыщается парами гелия, что предотвращает эффект автовакуумирования.

Использование внешних источников охлаждения

При данном методе охлаждения в емкость с жидкостью помещают теплообменный аппарат (обычно змеевикового типа), внутри которого циркулирует криоагент с температурой более низкой, чем температура охлаждаемой жидкости. Криоагентом обычно служит газообразный гелий, который охлаждается в автономной рефрижераторной установке.

Для применения рассматриваемого метода необходимо сложное оборудование, усложняется и конструкция емкости.

При реализации данного метода охлаждения нельзя допускать, чтобы температура входящего гелия была ниже температуры замерзания жидкости. Это необходимо для предотвращения образования льда на поверхности теплообменника. Метод экономичнее, чем вакуумирование и барботаж, так как при этом нет потерь, обусловленных отводом холодных паров, поэтому является предпочтительным для охлаждения больших объемов жидкости.