8.5. Откачка паров кипящей жидкости

Из курса физики известна связь температуры кипения жидкости и давления в паровом пространстве: с понижением давления паров температура кипения понижается. При откачке также изменяется и сам режим испарения: при среднем вакууме паров азота и кислорода наблюдаются поверхностное испарение, а при более высоком вакууме – испарение в объеме за счет их кипения. При откачке гелия - 4 также понижается температура после перехода - точки видимый (пузырьковый) процесс кипения прекращается. Во всех случаях понижение температуры жидкости связано с отбором энергии у самой жидкости и материала сосуда Дьюара, где содержится жидкость.

Рассмотрим установку (рис. 8.6.), в которой вакуумированный, т.е. теплоизолированный сосуд 1 содержит жидкий газ 2 и его пары, через ловушку 4 откачивается вакуумным насосом 3. Таким образом, в объеме создается разрежение, и его величина зависит от насоса и длительности откачки. Запишем для этой системы уравнение теплового баланса

, (8.17)

где r - скрытая теплота испарения жидкости, m, m_об - масса жидкости и оболочки; dm - изменение массы за счет испарения; с_ж, с_об - удельные теплоемкости жидкости и твердого тела оболочки; Q_об - теплоприток к жидкости.

Преобразуем (8.17), для этого обе его части разделим на m и продифференцируем по времени

,

вводя обозначения: удельную приведенную массу и теплоприток , запишем

. (8.18)

Кроме того, как мы упоминали, скорость изменения температуры определяется интенсивностью откачки паров, а значит быстротой откачки насоса V_H. Масса паров жидкости М, откачиваемой насосом, равна

. (8.19)

Так как параметры R и Т_Н - не изменяются, а сомножитель обозначим через коэффициент К, тогда уравнение (8.19) перепишем

(8.20)

и, приняв M = m уравнение (8.20 ), продифференцируем по времени (с раздельными переменными)

. (8.21)

Введем производительность насоса U_н = , и окончательно перепишем

, (8.22)

где Δt - продолжительность работы насоса.

Необходимо помнить, что сомножитель отрицателен, т.к. при работе насоса давление уменьшается. Кроме того, надо учитывать, что жидкости характеризуются различными зависимостями р = f(T) и , поэтому один и тот же насос, установленный на разных жидкостях, имеет различную производительность.

Прекращение охлаждения наступает при таком давлении, когда уменьшение энергии восполняется внешним (паразитным) теплопритоком (см. 8.22), т.е. , при и

Так для гелия при 1 К давление насыщенных паров составляет 16Па, то при Т = 0,5 К уже р = 2,18 Па, поэтому достижение температур меньших 0,5 К этим методом практически невозможно, даже используя высокопроизводительные насосы.

9. Получение низких температур

В предыдущем разделе были рассмотрены основные физические принципы, которые позволяют понизить температуру рабочего тела, т.е. газа в каких-то температурных интервалах. Здесь же познакомимся с техническими возможностями и принципами достижения фиксированных их величин, при которых можно получить водород и гелий в конденсированном состоянии.

9.1 Ожижение водорода

Впервые водород был ожижен в 1898г. Дж. Дьюаром. Он использовал процесс дросселирования, применив предварительное охлаждение водорода жидким воздухом. Конечно, в настоящее время существует много различных методов охлаждения водорода, среди которых применяется цикл двух давлений, гелиево-водородный конденсационный цикл, но цикл, использованный Дьюаром, до сих пор применяется благодаря его простоте и надежности. Рассмотрим некоторые из них.

9.1.1. Метод дросселирования.

Принципиальная схема показана на рис. 9.1. Газообразный водород сжимается изотермически в компрессоре – до давления ρ₂ и поступает в теплообменник I, где охлаждается до температуры Т₃; затем водород поступает в ванну II предварительного охлаждения, где его температура понижается до температуры Т₄. Дальнейшее понижение температуры в теплообменнике III позволяет после дросселирования до давления ρ₁ (процесс 5-6) получить в сборнике IV жидкость в количестве х кг/кг. Жидкость отбирается из цикла, а оставшиеся пары (10- х) идут обратным потоком через теплообменники III и I, охлаждая прямой поток. Для ожижения Н₂ этим методом необходимо иметь температуру Т₄< Т_инв (Т_инв = 204,6⁰ К). Чем ниже температура предварительного охлаждения Т₄, тем выше коэффициент ожижения х и, следовательно, экономичность цикла.

Величина х также зависит и от давления (рис. 9.1.б). Из рисунка видно, что давление в этом цикле не должно превышать ρ₂ = 130 -140 атм., а температура Т₄ должна быть как можно более низкой.

Наиболее подходящими хладоагентами для предварительного охлаждения являются жидкий азот и воздух. При атмосферном давлении температура кипения азота 77,3 К, а воздуха 78,8 К.

На практике минимальная температура кипения азота обычно составляет  65⁰К. Применение жидкого воздуха или кислорода позволяет обеспечить более низкую температуру предварительного охлаждения, однако использование азота предпочтительнее, так как обращение с ним безопаснее.

9.1.2. Гелиево – водородный конденсационный цикл

Ожижение водорода может быть осуществлено путем его конденсации с помощью гелиевого рефрижератора (рис.9.2). Этот цикл состоит из двух самостоятельных контуров (гелиевого и водородного), связанных конденсатором Гелий проходит через теплообменник I, ванну с жидким азотом II, теплообменник III и расширяется в детандере Д до температуры ниже конденсации водорода проходит через теплообменники 1,2,3 своего контура, ожижается в конденсаторе и дросселирует в сборник 4.

(рис.9.2)

9.1.3. Цикл с расширением в детандере.

Характерный метод ожижения водорода, включающего цикл с расширением водорода в детандере, представлен на рис. 9.3.

9.1.4. Установка получения водорода.

Обычно при ожижении водорода в лабораторных или промышленных условиях используется один и тот же метод – холодильный цикл с дросселированием. Температура инверсии для водорода довольно высока около 200 К и для получения положительного эффекта Джоуля-Томсона водород должен быть охлажден ниже 200 К (раздел 9.1.) при помощи какого-то криоагента, обычно это жидкий азот. Его абсолютное давление поддерживают на уровне 0,2 ÷ 0,25 кг/см², чему соответствует температура кипения азота  66 К. Давление водорода в технологическом цикле ожижения составляет 130 – 140 кг/см². Кроме того, необходимо знать, что орто - парасостав жидкого водорода зависит от температуры и длительности хранения, а технико-экономические показатели этого процесса определяются, как мы видели выше, температурными режимами конверсии^* параводорода.

Р ассмотрим одну из известных установок производства жидкого водорода, схема которой показана на рис. 9.4. Поршневые компрессоры низкого 1 и высокого 2 давления подают газообразный водород через теплообменник предварительного охлаждения 10 и азотную ванну 5. Одновременно через те же ступени охлаждения подается и рабочий газ (ожижаемый водород) сжатый компрессором 3 и предварительно охлажденный фреоновой (или подобной) холодильной установкой 4. Затем прямой поток водорода проходит две ступени охлаждения в азотной ванне 5 и теплообменнике 6 до азотной и далее до температуры инверсии. После этого водород расширяется в дросселе 7, ожижается, собирается в 8, где и проходит ступенчатая ортопараконверсия. Прямой поток водорода высокого давления сжатого компрессором 2 также охлаждается до азотной температуры в азотной ванне 5 в теплообменнике 6, далее охлаждается в теплообменнике, включающем турбодетандер 10. Последним этапом в подготовительном цикле сжатие-охлаждение до температуры ниже температуры инверсии служит дросселирование водорода на ссужающем устройстве (вентиле) 7, где происходит фазовый переход пар-жидкость и собирается жидкий ортоводород. Прямой же поток водорода сжатый компрессором 3 проходит все (как видно из рисунка) теплообменники, включая сборник ортоводорода 8, холодильник 9 и собирается в виде параводорода в 10 обратный поток водорода в виде газа из сборника 10, в который сбрасывается водород из турбодетандера поступает в теплообменник предварительного охлаждения 12 прямого потока и поступает на вход компрессора низкого давления 1. В этом же теплообменнике используются и обработанные пары азота из азотной ванны 5.

9.2. Ожижение гелия – 4.

Существуют два способа ожижения этого изотопа гелия: каскадный и детандерный. Если в первом используются последовательно три каскада охлаждения с использованием жидкого азота, водорода, то в последнем способе - перевод гелия в жидкое состояние происходит без промежуточного охлаждения жидким водородом, который П.Л. Капица впервые ввел - охлаждение прямого потока гелия на уровне температур 20 – 14 К механическим устройством – детандером, где за счет расширения сжатого газа происходит его охлаждение. Рассмотрим оба способа ожижения.

9 .2.1. Каскадный метод

Схема гелиевого ожижителя с промежуточным охлаждением жидким водородом показана на рис. 9.5.

Прямой поток сжатого в компрессоре газообразного гелия Р₂ проходит холодильник предварительного охлаждения 2, где понижение температуры осуществляется в противотоке парами возвратного гелия, затем гелий проходит через ванну с жидким азотом 3 и охлаждается до температуры  80 К. Дальнейшее понижение температуры прямого потока гелия происходит в теплообменнике 4 типа «труба в трубе» парами водорода и, наконец, достижение температуры  21 К происходит в ванне с жидким водородом 5. Коэффициент ожижения в значительной степени зависит от температуры промежуточного охлаждения, что видно из рисунка 9.6, где показана зависимость коэффициента ожижения гелия в зависимости от давления прямого потока гелия и температуры его охлаждения. Видно, что с понижением температуры прямого потока от 25 К до 14 К возрастает эффективность процесса ожижения. При изменении давления сжатия кривая, характеризующая эффективность процесса, проходит через максимум, причем величина его и размытость обратнопропорционально зависят от температуры охлаждения.

Т ак, коэффициент ожижения увеличивается втрое при понижении температуры промежуточного охлаждения с 20 до 14 К, что достигается откачкой паров жидкого водорода (температура тройной точки водорода 13,95 К). Кривые имеют отчетливо выраженный максимум соответствующий давлению  32 атм., при котором температура 14 – 20 К является инверсионной.

Оптимальное давление сжатия гелия для реального цикла на 15 – 20 % ниже давления в максимуме при изотермическом эффекте дросселирования (т.к. при температуре близкой к температуре конденсации с повышением давления уменьшается теплоемкость гелия и, следовательно, уменьшается разность температур на холодном конце теплообменника и ее увеличение на теплом, т.е. потери холода возрастают из-за недорекуперации). Однако даже при достигнутых параметрах: температуре  15 К, давлении  22 – 25 атм., изотермический эффект дросселирования сравнительно мал  15,1 Дж/г. Это следствие существующей недорекуперации на теплом конце последнего теплообменника. Если бы увеличить недорекуперацию, например, на 2 К, то коэффициент ожижения уменьшился до 8 %.

Дальнейшее понижение температуры прямого потока гелия возвратным осуществляется в теплообменнике 6 и затем происходит его дросселирование на сужающем устройстве 7. Жидкий гелий в разомкнутом цикле собирается в сборнике 8. Обратный поток газообразного гелия, как видно из схемы, проходит через все теплообменники 6,4 и 2.

В каскадных гелиевых ожижителях используют жидкий водород, который ожижают здесь по замкнутому циклу. Во-первых, это снимает взрывоопасность работ с водородом, во-вторых, удешевляет сам процесс за счет снижения потерь.

Отметим, что гелиевые станции этого или другого типа могут работать в двух режимах: рефрижераторном и ожижительном. Рефрижераторный режим предполагает получение парожидкостной гелиевой смеси в замкнутом цикле, а ожижительный же режим используется для получения жидкого гелия, который в последующем поступает потребителям, т.е. для охлаждения применяется технологический разомкнутый цикл. Здесь с целью охлаждения прямого потока гелия используется, естественно, скрытая теплота испарения кипящего гелия, которая крайне мала.

Расчеты показывают, что при одинаковой полезной холодопроизводи-тельности в рефрижераторном режиме затрачивается мощность примерно в 4 раза меньше, чем при получении того же количества жидкого гелия в ожижительном. При этом во столько раз уменьшается количество сжимаемого газообразного гелия, а это значит, что можно использовать компрессорное оборудование меньшей производительности и, следовательно, меньших габаритных размеров.

9.2.2. Детандерный метод

Принципиальная схема одного из распространенных ожижителей с детандерным циклом показана на рис. 9.7. Технический гелий в газообразном состоянии из хранилища поступает в блок очистки, где отделяется от влаги в силикагелиевом адсорбере, от газовых примесей (О₂ N₂ А_r) – в угольном или цеолитовом адсорбере. Очищенный гелий, как видно из схемы, добавляется к обратному потоку, поступающему из ожижителя газгольдер после контроля на чистоту и очистку, поступает на всасывание в компрессор. После сжатия до 2,5 МПа (25 атм.) газ проходит дополнительную очистку от паров масла и далее поступает в блок ожижения.

В теплообменнике 1 (по двумя ветвям) он предварительно охлаждается парами гелия, затем проходит через ванну с жидким азотом 2 и охлаждается до 80 К. Дальнейшее охлаждение осуществляется в теплообменнике 3 парами обратного потока гелия, поступающими из сборника жидкого гелия 5 (ветвь В).

Прямой поток газообразного гелия при температуре 24 – 28 К делится на два: основной из них поступает в детандер 8 (ветвь А), а другой меньший по объему проходит в теплообменник 7 типа "труба в трубе". За счет работы, совершаемой в детандере, температура газообразного гелия понижается до  12 К и перед дросселем 6 он имеет температуру 10 – 11 К. Поток гелия после детандера, выполнив свою задачу понижения температуры прямого потока, сбрасывается в возвратную линию, а основной поток для ожижения гелия расширяется в дросселе 6 до давления  10 Тор (зависит от гидродинамического сопротивления трубопроводов и его давления в «грязном» газгольдере) и тем самым температура падает до 4,2 К. Жидкий гелий собирается в сборнике 5. Обычно для слива гелия из сборника вентили закрываются, давление в паровом пространстве сборника 5 возрастает и за счет возникшего перепада давления ΔР = Р₁^*-Р₂ между Р₁^* сборником и возвратной линией Р₂ осуществляется слив гелия в сосуд Дьюара.

Детандер

Как мы отмечали, использование детандеров в ожижительных установках позволяет исключить промежуточный каскад охлаждения прямого потока гелия жидким водородом, что делает процесс в этом отношении взрывобезопасными и удешевляет производство жидкого гелия, т.е. оно становится более экономичным.

В основе охлаждения с помощью детандерного цикла лежит обращенный цикл Карно, т.е. в ней детандер выполняет роль холодопроизводящей машины и переносит тепло с низкотемпературного уровня (на Т-s диаграмма) на высокотемпературный уровень за счет совершения работы сжатым газом. Здесь важную роль играет эффективность расширения. Ее обычно оценивают величиной так называемого адиабатического коэффициента полезного действия (к.п.д.), отношением реальной холодопроизводительности машины к идеальной, отвечающей термодинамически обратимому адиабатическому процессу расширения. Адиабатический к.п.д. современных гелиевых поршневых детандеров составляет 0,8 ÷0,85 при расширении гелия от 20 до 1 ат. в интервале температур 25 – 10 К.Рассмотрим этот процесс работы детандера на так называемой индикаторной диаграмме (обращенный цикл Карно), который показан на рис.9.8,б). По оси ординат отложено давление в рабочем пространстве цилиндра детандера. Точка А на диаграмме соответствует начальному (нижнему) положению поршня, показанному на схеме б) поршень находится в нижней мертвой точке и в этот момент открывается впускной клапан. При движении поршня до точки В в цилиндр входит порция сжатого гелия, и давление в цилиндре остается неизменным и равным примерно впускному давлению. В точке В, хотя впускной клапан закрывается, но движение поршня продолжается в том же направлении за счет расширения газа. Этот процесс, сопровождающийся работой происходит в теплоизолированных условиях (адиабатический процесс), а значит вызывает понижение температуры. Поршень достигает верхнего положения (верхняя мертвая точка) на диаграмме точка С и открывается выпускной клапан при этом давление в цилиндре резко падает до давления выпуска (положение D) и при обратном ходе поршня оно, как видно из диаграммы, рис.9.8,б, остается неизменным и близким к давлению в выпускном трубопроводе. Процесс выпуска заканчивается в точке Е при этом клапан выпуска закрывается. При движении поршня вниз (рис.9.8, а) оставшийся в цилиндре газ сжимается до давления близкого к давлению впуска (точка А). На этом рабочий процесс цикла заканчивается. Площадь индикаторной диаграммы эквивалентна холодопроизводительности детандера.

Схема конструкции поршневого детандера показана на рис. 9.8,а. Он состоит из поршня 1, который ходит в цилиндре 2, соединен со штоком 3. Корпуса детандера 4 закрывает эту конструкцию в него еще входит поршень крейцкопфа 5. Усилие от поршня передается через шток 3, изготовленный из тонкостенной трубы нержавеющей стали для снижения теплопритока, так как весь шатунно-кривошипный механизм 6 и крейцкопфа 5 работают при комнатной температуре. Из нержавеющей стали выполнен также и корпус детандера 4 и расположенный внизу стакан (цилиндр). Наиболее серьезные проблемы не только у его создателя П.Л. Капицы, но и в дальнейших разработках вызывала поршневая пара. Главная трудность заключалась в трении движущегося поршня в цилиндре. Если сам цилиндр изготавливался из твердой азотированной стали с гладкой полированной поверхностью, то поршень изготавливали из сухой кожи (подобного устройства как в ручном насосе). Движение поршня в цилиндре при низкой температуре ( 20 К) должно происходить в условиях малого зазора между ними для снижения потерь газообразного гелия как рабочего тела. Капица предложил использовать газовую смазку, т.е. сам гелий, находящийся в зазоре должен был снизить коэффициент трения скольжения. Это был самый сложный момент в работе детандера: увеличение зазора между поршнем и цилиндром приводило к росту потерь гелия, а уменьшение его – к увеличению трения и заклиниванию поршня. Кроме того, должна быть обеспечена надежная работа ожижителя в течении всего рабочего цикла. Для обеспечения надежной работы ожижителей вдальнейшем был заменен не только материал поршня вместо кожи использовали специальный просушенный листовой текстолит, но это вызвало изменение конструкции поршня: использовалась стальная оправа- сердечник поршня, на который насаживаются слоями кольца текстолита толщиной  10 мм и тонкослойного металла, их стягивают шпилькой с резьбовым устройством. Затем поршень шлифуют и полируют, что исключает задиры и заклинивание поршня в цилиндре и обеспечивают их соосность. Так,. при диаметре поршневой пары 50 мм зазор между ними составляет 5 – 10 мкм и это обеспечивает утечки газа не более 5 % от количества гелия, идущего на ожижение.