3.6.1. Способ прямого вакуумирования

Если над зеркалом продукта в резервуаре создать вакуум, то в соответствии с кривой насыщения температура продукта понизится. Это происходит за счет скрытой теплоты парообразования г испарившейся части продукта.

Рис.3.6.3. Охлаждение в теп- Рис.3.6.4. Охлажде- в ванне-охладителе

лообменнике с помощью холо- ние в головке ХГМ вакуумируемым дильной газовой машины (ХГМ) типа «Филипс» собственным компонентом

Рис.3.6.6. Охлаждение в теплообменнике за счет стороннего охладителя

Создание вакуума в емкости возможно за счет подключения к ней вакуумного оборудования, работающего в диапазоне непрерывно меняю­щихся рабочих давлений — от атмосферного до соответствующего заданной температуре.

Отдельно остановимся на охлаждении жидкого кислорода методом вакуумирования.

Из рассмотрения кривой давления насыщенных паров кислорода вытекает, что для получения жидкого кислорода с температурой тройной точки (54,3 К) необходимо пони­зить давление до 146,6 Па. Низкое давление кислорода в тройной точке обуславливает значительные трудности при осуществлении цикла прямого вакуумирования для получе­ния глубоко охлаждаемой жидкости (вблизи тройной точки). Из проведенных исследова­ний известно, что способом прямого вакуумирования можно надежно охладить жидкий кислород только до температуры Т = 60 К (Р = 800 Па), а при дальнейшем понижении температуры (давления) происходит неравновесный процесс, зависящий от различных параметров — скорости откачки, геометрии сосуда, уровня температуры и т.п.

С учетом ряда допущений (постоянство Ср, отсутствие теплопритоков извне в про­цессе вакуумирования и др.) были получены безразмерные зависимости [34] и построе­ны графики для кислорода и азота, пользуясь которыми можно определить количество продукта, теряемого при вакуумировании (рис. 3.6.7 и 3.6.8).

Здесь G\ — первоначальное количество продукта; Gi — количество оставшегося продукта; Т\кТг — соответствующие температуры.

Поскольку практическое применение способа охлаждения криогенных жидкостей вакуумированием парового пространства зависит от возможностей вакуумного оборудова­ния, проведем его краткий анализ.

Наличие низких температур рабочей среды и необходимость исключения смазки общего назначения из-за опасностей ее затвердения, взрыва и пожара оказывают свое влияние на выбор и использование вакуумного оборудования. Анализ возможностей ис­пользования различных устройств для откачки холодных газов кислорода и азота [35, 36] позволяет констатировать, что для откачки паров азота в настоящее время могут исполь­зоваться только два типа насосов: водокольцевые и газоструйные (эжекторы). В водокольцевых насосах безопасность работы обеспечивается тем, что узлы и детали, находящиеся в контакте с кислородом, обильно омываются водой, а незамерзание воды обеспечивается теплом, поступающим от вращения электропривода насоса, естественно, в определен­ных пределах.

Рис.3.6.7. График зависимости G₂/Gi Рис.3.6.8. График зависимости G₂/G_t

от Т₂/Т₁ для кислорода от Т₂/Т₁ для азота

Отечественной промышленностью освоено серийное производство ряда водокольцевых насосов с номинальной производительностью от 90 до 9000 м³/ч. Увели­чить производительность этих вакуум-насосов при низких температурах можно путем уменьшения прогрева газа в рабочих камерах насоса за счет использования жидкости с низкой температурой замерзания. Водокольцевые вакуумные агрегаты полностью урав­новешены, высоконадежны, имеют небольшие габариты. Насосы ВВН-12 и ВВН-50, вы­полненные из нержавеющей стали, показали надежную работу на практике при откачке паров жидкого кислорода и азота. Однако область применения этих агрегатов ограничена давлением насыщенных паров. Предельное давление, достигаемое с помощью этого класса машин, составляет 4-6,66 кПа. Падение объемной производительности агрегата наблю­дается при давлении на входе 13,3 кПа.

Несколько понизить предельное давление всасывания можно последовательным соединением агрегатов. При работе такого двухступенчатого агрегата, состоящего из двух серийных агрегатов ВВН-50, можно получить предельное давление ~ 6,66 кПа, при этом объемная производительность держится постоянной до уровня давлений 10-8,66 кПа, а

далее падает [35].

На рис. 3.6.9 приводится зависимость объемной произво­дительности от давления для не­которого сочетания водокольцевых вакуум-насосов.

Наиболее экономичными и перспективными для целей от­качки паров криогенных жидко­стей следует признать лопаточ­ные вакуум-насосы центробсж-ного типа, способные откачивать «холодный» продукт. Снижение температуры газа перед такими насосами позволит получить высокие степени сжатия в одной ступени и резко снизить потребляемую мощность. Однако такие машины до сих пор промышлен­ностью не созданы.

В связи с недостаточной номенклатурой вакуумных насосов для охлаждения кри­огенных жидкостей, работающих в условиях СК, и их относительно малой производитель­ностью возникла необходимость в разработке и создании специально для ракетно-косми­ческой техники эжекторных установок, использующих в качестве активного газа воздух или азот. Такие эжекторные агрегаты удалось создать с коэффициентом эжекции К = 0,11-0,25 при давлении активного газа 600-800 кПа. При применении эжекторных установок повышается безопасность работ, так как откачиваемый продукт разбавляется

Рис.3.6.9. Характеристики вакуум-насосов

активным газом, а это нейтральный газ — азот (например, для охлаждения водорода), однако появляются дополнительные потери активного газа эжектирования.

Эффективность эжекторных установок по сравнению с вакуумными насосами мала.

Потребляемая водокольцевыми насосами удельная мощность:

N_уд=∑N/Q

где Q — холодопроизводительность, которая во всем диапазоне охлаждения существенно меньше удельной мощности, потребляемой эжекторами для тех же целей. С понижением температуры эта разность становится все большей. Так, при температуре жидкого кисло­рода, равной 86-73 К, потребляемая мощность эжекторных установок ~ в 5 раз выше, чем при применении вакуум-насосов.

Сложность создания эжекторов для откачки криогенных продуктов заключается в том, что давление на входе в эжектор падает по мере понижения температуры продукта, в связи с чем режим работы по давлению на входе для конечной температуры отличается от первоначального. Для повышения экономичности эжекторов и увеличения их производитель­ности необходимо создавать двухступенча­тые и многоступенчатые агрегаты. В настоящее время специально для охлаждения криогенных компонентов в условиях их работы на СК создан ряд эжекторных установок различной производительности (ЭН 1259-45, ЭН 12590, ЭН 314-13, 8Г174), при этом эжектор ЭН 12590 вы­полнен двухступенчатым и обеспечивает охлаждение жидкого кислорода до Т = 69 К. На рис. 3.6.10 показана зависимость холодопроизводительности эжекторных установок от температуры.