Ozhizhenie_gelia_2008_A5_11 (1)

-изотермический эффект дросселирования на входе в ступень

сучетом недорекуперации TIII

hT 5 h15 h5 149,33 155,82 6,49 , кДж/кг.

Удельный поток, поступающий на расширение в детандер Д2 составит

Так как расход прямого потока на входе в третью ступень (точка 5) меньше подаваемого компрессором на величину отбора D1

на первый детандер, далее необходимо будет пересчитать поток D20 .

Аналогично, из энергетического баланса второй ступени охлаждения (первой детандерной ступени ), записанного для 1 кг газообразного гелия, входящего в ступень в точке 3, определяем удельный поток, поступающий на расширение в детандер Д1 (на 1 кг сжатого гелия)

- понижение энтальпии при расширении части потока в детандере Д1

(h s )1 h4 h15 306,83 149,33 157,5, кДж/кг;

-изотермический эффект дросселирования на входе в ступень

сучетом недорекуперации TII

hT 3 h17 h3 417,9 448,026 30,13, кДж/кг.

Удельный поток, поступающий на расширение в детандер Д1 составит

Приведем потоки D20 и x0 к 1 кг газообразного гелия, подаваемого компрессором. Удельный поток, поступающий во второй детандер

D2= D20∙(1- D1)=0,558(1-0,295)=0,39, кг. газа/кг. сжатого гелия.

21

Коэффициент ожижения, отнесенный к 1 кг газа, подаваемого компрессором

x=x0∙(1-D1)∙(1-D2)=0,229(1-0,295)(1-0,39)=0,098, кг. жидкости/кг. сжат.Не.

Удельный поток, поступающий в четвертую ступень на дросселирование,

D3=1-D1-D2=1-0,295-0,39=0,315, кг. газа/кг. сжатого гелия.

Энтальпию в точке 14 определяем из теплового баланса теплообменника ТО5

Энтальпию в точке 16 определяем аналогично, из теплового баланса теплообменника ТО3

точки 14, 16 наносим на изобару р1, параметры заносим в табл. 2. Потребный удельный расход жидкого азота для охлаждения

гелия в 1-й ступени охлаждения, приходящийся на 1 кг сжатого гелия, можно определить по формуле

где hT1= h18-h1 - изотермический эффект дросселирования на верхнем температурном уровне с учетом недорекуперации TI; h20, h21 – энтальпии азота на входе в ванну и выходе из теплообменника ТО1, кДж/кг.

Находим энтальпию жидкого N2 при Т=79,6К и р=0,13 МПа (см. прил. 2, табл. 5) h20=129,75 кДж/кг, энтальпию парообразного N2

при Т=290К и р=0,13 МПа: h21=548,3 кДж/кг.

Удельный расход жидкого азота для охлаждения гелия в 1-й ступени, составит

22

Удельная работа, возвращаемая детандерами, отнесенная к 1 кг сжатого гелия

lдет D1(h S )1 мех1 D2 (h S )2 мех 2 10 3 , МДж/кг,

где мех1, мех2 – механические КПД детандеров, для поршневых детандеров можно принять 0,8 – 0,9.

lдет 0,295 157,5 0,85 0,39 41,42 0,8 10 3 0,052 МДж/кг.

Удельные затраты работы на ожижение 1 кг гелия составят

Затраты работы в единицу времени (мощность установки)

24

Nэ mж.Не l0 Gж.Не ж.Не l0 35 0,121 58,704 248,61МДж / ч 69кВт.

25

По окончании расчетов всей группы студентов необходимо построить графики зависимости коэффициента ожижения х, удельных затрат энергии l0 от отношения давлений p2/p1 и оценить влияние КПД детандеров, величин недорекуперации теплоты в теплообменниках. Определить оптимальную величину отношения давлений p2/p1.

1.4.Контрольные вопросы

1.Уникальные свойства гелия. Источники его получения.

2.Дроссельный цикл с предварительным азотным и водородным охлаждением. Причины применения ступеней с внешним источником охлаждения.

3.Тепловой баланс ступени с внешним источником охлаждения.

4.Холодопроизводительность ступени с внешним источником охлаждения.

5.Цикл ожижения гелия со встроенным водородным циклом. Процессы цикла, температурные уровни ступеней.

6.Устройство блока ожижения установки ГС-2. Теплообменные аппараты.

7.Цикл ожижения гелия с азотной ванной и детандерными ступенями.

8.Холодопроизводительность детандерной ступени.

9.Определение температурного уровня детандерных ступеней.

10.Коэффициент ожижения, приходящийся на 1 кг газообразного гелия, входящего в концевую ступень охлаждения.

11.Тепловой баланс детандерной ступени, удельный поток, поступающий в детандер.

12.Расход жидкого азота в первой ступени охлаждения.

13.Удельные затраты энергии на ожижение 1 кг гелия.

14.Применение концевой дроссельной ступени с двукратным дросселированием и детандера на ожижаемом потоке.

15.Фазовая диаграмма гелия. Изменение свойств жидкого гелия при совершении λ-перехода. Уникальные свойства гелия.

16.Характеристики цикла ожижения с азотной и водородной ваннами и цикла с детандерными ступенями.

26

Лабораторная работа 2 Криогенные гелиевые установки

Цель: Изучение технологической схемы и конструкции машин и аппаратов криогенной гелиевой установки КГУ 600/15-150/4,5-40, особенностей процессов в ожижительном и рефрижераторном режимах2.

2.1. Технологическая схема КГУ

Криогенная гелиевая установка КГУ 600/15-150/4,5-40 предназначена для получения жидкого гелия с выдачей его потребителю и для охлаждения объектов до гелиевых температур (15÷4,5 К). Соответственно установка может работать в одном из двух режимов – ожижительном и рефрижераторном. Производительность в ожижительном режиме составляет 40 л/час жидкого гелия, в рефрижераторном режиме обеспечивает холодопроизводительность 600 Вт при температуре криостатирования 15К и 150 Вт при температуре 4,5К.

Газообразный гелий поставляется в баллонах под давлением 15 МПа. Это так называемый технический гелий, чистотой 99,99%, содержащий до 0,01% примесей других газов, таких как водяной пар, O2, N2, Н2, углеводороды. Направлять на ожижение с таким составом гелий нельзя из-за опасности замерзания примесей в трубках теплообменников и образования внутри ледяных наростов и пробок. Поэтому каждая криогенная установка содержит в своем составе блоки очистки и осушки ожижаемого газа.

Ожижение гелия производится по циклу среднего давления, т.е. давление прямого потока составляет 2,4÷2,7 МПа. Давление обратного потока – 0,11÷0,12 МПа. В данной установке, применяется цикл с предварительным азотным охлаждением, детандерной ступенью и концевой дроссельной ступенью с двукратным дросселированием.

Основные узлы установки – газгольдер, компрессор и блок ожижения изображены на рис. 12. Технологическая схема установки представлена в прил. 5. На схеме потоки гелия обозначены цифрой 8, располагающейся в разрыве линий, азота – цифрой 4.

Баллоны с газообразным гелием 12 подключаются к рампе 13 и газ выпускается в газгольдер переменного объема 46, имеющий максимальный объем 6м3. Давление в газгольдере постоянно и составляет порядка 0,11 МПа, т.е. несколько выше атмосферного, чтобы исклю-

2 Установка эксплуатируется на криогенной гелиевой станции КФТИ РАН

27

чить подсос воздуха в систему.

Компрессор 1 всасывает гелий из газгольдера через механический фильтр, сжимает его до давления прямого потока и подает в блок осушки. Компрессор представляет собой поршневую крейцкопфную трехступенчатую машину, выполненную на угловой базе. Цилиндр первой ступени расположен вертикально, вторая и третья ступени имеют горизонтально расположенные цилиндры. После каждой ступени сжатия следует охлаждение газа в промежуточном холодильнике 11 – рекуперативном теплообменнике кожухотрубного типа в трубном пространстве которого циркулирует охлаждающая вода, в межтрубном − сжатый газ. Холодильник между первой и второй ступенями встроен непосредственно в компрессор. После последней ступени газ поступает в концевой холодильник и через обратный клапан ОК-1 в маслоотделители 2 и 3. Так как компрессор имеет цилиндры, смазываемые маслом, часть масла неизбежно уносится сжимаемым гелием и загрязняет его. Маслоотделитель 2 представляет собой цилиндрический вертикальный аппарат, заполненный кольцами Рашига, проходя через который от газа отделяется капельное масло. Затем газ поступает в аналогичный по конструкции аппарат 3, заполненный адсорбентом, в котором поглощаются пары масла и дополнительно происходит механическая фильтрация газа от частиц адсорбента.

Рис.12. Элементы КГУ600/15-150/4,5-40: газгольдер, компрессор, ожижитель

Компрессор с газовыми холодильниками, фильтрами, маслоотделителями, запорной и регулирующей арматурой, КИПиА, установленной на них представляет собой узел сжатия установки.

Из узла сжатия гелий под высоким давлением поступает в блок осушки, где в адсорбере 4 происходит поглощение водяного пара адсорбентом – цеолитом при температуре окружающей среды. Далее

28

через механический фильтр 5, где фильтруются частицы адсорбента газ поступает в следующий блок – блок очистки гелия. В блоке очистки поток сначала охлаждается в теплообменнике регенерации 6 парами азота и холодным потоком гелия из адсорбера, затем поступает в адсорбер 7, погруженный в ванну, заполненную жидким азотом, кипящим под атмосферным давлением. Таким образом, очистка гелия от газовых примесей осуществляется за счет адсорбции при азотном уровне температур (порядка 80К). Жидкий азот поступает в ванну из криоцистерны 34. Холодные пары азота и охлажденный очищенный поток гелия из адсорбера 7 направляются в змеевики теплообменника 6 и затем гелий через фильтр 8 в блок ожижения, а азот в атмосферу. В качестве адсорбента здесь используется активированный уголь в гранулированном виде марки СКТ. Защитное действие блока очистки ограничено адсорбционной емкостью активированного угля, поэтому адсорберы 4 и 7 нуждаются в периодической десорбции - регенерации, при которой поглощенные газы при нагреве трубчатыми электронагревателями (ТЭНами) удаляются из адсорбента, поэтому адсорберы устанавливают попарно. Один работает в режиме очистки, другой в это время регенерируется, затем они меняются (на схеме второй не представлен).

Блок ожижения подобно уже рассмотренным (рис. 4, 7) представляет собой вертикальный цилиндр с высоковакуумной теплоизоляцией. Сверху он закрыт крышкой, на которой размещаются привод детандера, запорная и регулирующая арматура, приборы. Внутри блока на крышке закреплены теплообменники, детандер, ванна для азота, сборник жидкого гелия.

Прямой поток гелия перед блоком ожижения разделяется на две неравные части. Одна часть, через вентиль 3-12 проходит через витой теплообменник типа труба в трубе 18, где охлаждается парами азота, другая часть проходит теплообменник 17, где охлаждается обратным потоком гелия. Далее оба потока, объединившись, поступают в змеевик, погруженный в азотную ванну 19. Теплота от гелия отводится к кипящему азоту, температура гелия на выходе из первой ступени охлаждения составляет порядка 80К. Жидкий азот в ванну 19 подается из второй криоцисцерны 34 через электромагнитный вентиль 3- 34, рукав с вакуумированной теплоизоляцией и компенсатор тепловых деформаций. Уровень азота в ванне поддерживается постоянным.

29

Вторая ступень охлаждения – детандерная. Прямой поток охлаждается обратным в теплообменнике регенерации 20, затем разделяется на две неравные части, одна часть (30÷40%) расширяется в детандере 21 до давления обратного потока и через вентиль 3-6 присоединяется к нему в теплообменнике 22, вентиль 3-5 должен быть закрыт (ожижительный режим). Другая, бóльшая часть прямого потока охлаждается в основном теплообменнике детандерной ступени 22 до температуры порядка 20÷15 К за счет холодопроизводительности, создаваемой расширившимся потоком. После расширения в детандере достигаются температуры ожижения водорода и поток пропускается через детандерный адсорбер 30, где происходит поглощение молекул неона и водорода – последних низкотемпературных примесей гелия. Адсорбентом при этом является активированный уголь. Десорбция угля производится при естественном отогреве установки при ее остановке.

Далее следует концевая дроссельная ступень, в которой поток сначала охлаждается в теплообменнике типа труба в трубе 23 обратным потоком, затем дросселируется до промежуточного давления 0,6÷0,8 МПа в регулирующем вентиле Р-1, дополнительно охлаждается в теплообменнике 24 и окончательно дросселируется до давления обратного потока 0,11 МПа в регулирующем вентиле Р-3, вентиль Р-2 при этом закрыт (ожижительный режим). После второго дросселирования образующаяся двухфазная газожидкостная смесь поступает в сборник 25, в котором происходит постепенное накапливание жидкого гелия, а холодные пары из сборника проходят через все теплообменники блока ожижения, образуя обратный поток, нагреваются до температуры окружающей среды и через расходомерную диафрагму 53 поступают в газгольдер, откуда отсасываются компрессором, участвуя в новом цикле ожижения.

Объем сборника жидкого гелия составляет 40 л, по мере его заполнения необходимо удалять жидкость из блока ожижения. Это делается за счет создания повышенного давления в сборнике прикрытием вентиля на обратном потоке 3-13. Жидкий гелий вытесняется при этом по двум трубкам, заглубленным до дна сборника. На выходе трубок из блока ожижения установлены запорные вентили 3-15 и 3-16. К ним присоединяются переливные гибкие трубки 55, 56 с вакуумной теплоизоляцией, которые соединяют блок с гелиевыми сосудами Дьюара 35 и 36. Таким образом, при открытии вентиля 3-15 происходит

30