3.6.2. Способ охлаждения теплообменом

а) Охлаждение в теплообменнике с помощью холодильных машин При этом способе охлаждение осуществляется за счет отбора тепла от криогенной жидкости в теплообменнике хладоагентом, циркулирующим по замкнутому контуру холо­дильной машины. Из анализа возможных циклов холодильных машин, создающих холод на необходимом для охлаждения жидкого кислорода уровне, Т<11 К, вытекает, что в машине целесообразен адиабатно-изотермический цикл с использованием в качестве рабо­чего тела гелия [2]. На этой основе у нас и за рубежом создан ряд холодильных машин, работающих по обратному циклу Стерлинга (впервые выполненные фирмой «Филипс») — одноступенчатые на номинальный уровень 77 К, двухступенчатые на номинальный уро­вень 20 К. Холодопроизводительность этих машин — от 1000 (ЗИФ-1000) до 5000 ккал/ч. Кроме того, промышленностью освоен ряд поршневых гелиевых холодильных машин типа ХГМ и ХГУТ на температурном уровне 77 и 20 К с приводом мощностью 20 и 100 кВт.

Рис.3.6.10. Характеристики эжекторов

Рис.3.6.11. Холодильно-газовая Рис.3.6.12. Холодильно-газовая машина

машина ХГМ-11М: ХГМ-15:

1 — холодильно-газовая машина; 7 — холодильно-газовая машина; 2 ~ муфта;

2 — муфта; 3 — электродвигатель 3 — электродвигатель

Для охлаждения компонентов топлива (рис. 3.6.11) могут использоваться гелие­вые рефрижераторные машины типа ХГМ и ХГМУТ с вынесенным теплообменником.

Ниже приведены характеристики холодильно-газовых машин, освоенных отечест­венной промышленностью.

Таблица 3.6.1 Технические характеристики

Наименование	ХГМ-11М	ХГМ-15
Холодопроизводительность на температурном уровне 77 К, Вт/ч	1100	5800
Хладоагент	гелий	гелий
Давление наполнения, кгс/см2	16	21
Среднее давление сжатия, кгс/см2	23	45
Число оборотов, об/мин	980	980
Мощность, кВт	17	70
Масса агрегата, кг	ПО	250

б) Охлаждение хладоагентами При этом способе охлаждения отбор тепла от охлаждаемого компонента топлива осуществляется в теплообменнике, погруженном в ванну с хладоагснтом, или в противо-точном теплообменнике. В одном случае хладоагентами могут быть криогенные компо­ненты, температура кипения которых при атмосферном давлении ниже необходимой для охлаждения компонента, по крайней мере, на величину недорекуперации (например, при использовании жидкого азота для охлаждения жидкого кислорода) или температура кото­рых доводится до требуемой при вакуумировании парового пространства в ванне за счет вакуум-насосов или эжекторных установок (например вакуумируемый жидкий азот для охлаждения жидкого кислорода до температур вакуумируемого азота или вакуумируемый жидкий водород для охлаждения жидкого водорода).

Рассмотрим возможность охлаждения жидкого кислорода вплоть до тройной точки, что позволяет использовать его в орбитальных кораблях более эффективно. Для глубокого охлаждения жидкого кислорода хладоагентами могут быть жидкий или газообразный (хо­лодный) водород или неон. Учитывая специфические особенности и сложность обращения с водородом, точка кипения которого при атмосферном давлении равна 20,4 К и который горюч и взрывоопасен в широком диапазоне концентраций, его использование для целей охлаждения других жидких криогенных компонентов топлива может реально рассматри­ваться только для тех объектов, где жидкий водород применяется для заправки баков РН или корабля. Но и в этом случае особое внимание следует обращать на технику безопасности и технологию работы систем. Использование теплообменных аппаратов контактного типа для передачи холода компоненту топлива от жидкого (холодного газа) водорода по условиям техники безопасности следует исключить, хотя сам по себе этот вариант наиболее прост.

При использовании для охлаждения жидкого кислорода отбираемых от существую­щей на СК водородной системы жидкости или пара, в условиях, когда заправка и охлажде­ние производятся одновременно, особое внимание следует обратить на технологическую увязку работы водородной системы заправки с работой средств охлаждения. Такая увязка является сложной инженерной задачей, она связана с технологией работы той и другой системы в общем технологическом графике, а также с надежной работой систем управления.

в) Охлаждение вакуумируемыми хладоагентами Охлаждение жидкого кислорода в теплообменнике, размещенном в ванне с вакууми-руемым жидким кислородом, можно применять для охлаждения жидкого кислорода в процессе заправки или термостатирования продукта только до температуры Т = 60 К из-за неравновесности протекания процесса охлаждения при более низких температурах (Т= 60-54,3 К).

Однако проще и безопаснее охлаждать жидкий кислород и СПГ с помощью жидко­го азота. Для охлаждения этих продуктов до температуры Т= 66 К жидкий азот является почти идеальным хладоагентом, причем для температур Т = 79-80 К вакуумирование азота в ванне не требуется — он кипит при атмосферном давлении. Существующие водокольцевые вакуум-насосы и эжекторные установки надежно обеспечивают необхо­димый вакуум в ванне-теплообменнике вплоть до давления, соответствующего тройной точке азота (Т = 63,2 К). Систематизация способов охлаждения жидкого кислорода во всем диапазоне существования этой жидкости представлена на рис. 3.6.13, который по­зволяет определить возможные способы охлаждения жидкого кислорода на стартовой позиции до заданной температуры и затем путем технико-экономического анализа выя­вить оптимальный вариант. Охлаждение жидкого кислорода вплоть до тройной точки в нижней (после Т = 66 К) части температур на стартовых и стендовых комплексах можно осуществлять за счет использования бинарной смеси «жидкий кислород — жидкий азот». Имеются данные [37], что смесь «жидкий кислород — жидкий азот» относятся к системам с ограниченной растворимостью одного компонента в другом. Жидкий азот легко растворяется в жидком кислороде до 15,7 %, а кислород в азоте до 69 %.

Рис.3.6.13. Способы охлаждения жидкого кислорода

В диапазоне концентрации азота от 15,7 до 31 % лежит область непрерывного ряда смешанных кристаллов с эвтектической точкой при концентрации азота 22,5 % и темпе­ратуре 50,1 К (рис. 3.6.14). Анализ диаграммы показывает, что между двумя линиями лик­видуса лежит область двухфазного равновесия «пар — жидкость» системы «кислород -

азот», ограниченная температурой эвтек­тической точки Т— 50,1 К.

Таким образом, в смеси можно по­лучить жидкость, не замерзающую до Т = 50,1 К. Эту температуру можно до­стичь, откачивая пар над жидкостью, со­держащей азота в количестве намного больше эвтектической концентрации, так как азот испаряется интенсивнее кислоро­да. Особо важно, чтобы упругость пара над

эвтектической смесью оказалась равной Р = 160 Па, что вполне доступно получить сущест­вующими вакуум-насосами.

Однако величины давлений пара вдоль линии ликвидуса, являющимися концом

Рис.3.6.14. Диаграмма плавления 0₂ — N₂

двухфазного и началом трехфазного равновесия, в этих исследованиях отсутствовали, а были указаны только в точках чистого кислорода и в точке эвтектики. Не известны и дан­ные по фазовым равновесиям смеси «кислород — азот» в этой области существования жидкой смеси.

При наличии данных по фазовым равновесиям эта бинарная смесь может быть использована в качестве хладоагента при предельной температуре, вплоть до тройной точки кислорода и ниже.

Следует особо отметить, что смесь «жидкий кислород — жидкий азот» является безопасной в эксплуатации, оба эти компонента освоены производством, для их эксплуа­тации создано необходимое оборудование, имеется достаточный опыт эксплуатации этих продуктов на космодромах, наконец, они относительно дешевы, так как получаются из воздуха. Из диаграммы плавления также вытекает, что, используя бинарную смесь «жид­кий кислород — жидкий азот» для охлаждения заправляемого в баки ракеты жидкого кис­лорода, можно получать низкие температуры при давлениях над раствором существенно более высокими, чем давления, соответствующие насыщению чистого кислорода при этих же температурах, а это немаловажно при выборе вакуумного оборудования.

Проведенные в 80 годах XX столетия исследования позволили получить экспе­риментальные данные по величинам давления (через градус) пара над жидкостью при различных температурах смеси, составу равновесной паровой среды в зависимости от состава жидкой фазы, а также теплот испарения и теплоемкостей смеси. Было показано, что при одинаковых температурах азот имеет более высокое давление насыщенного пара по сравнению с кислородом, однако существовать он может только в смеси с кислородом. Азот повышает давление паров, а кислород снижает температуру замерзания и расширяет область существования жидкости до температуры Т = 50,1 К. Количество выкипающей смеси при вакуумировании всего лишь на 10 % больше, чем при вакуумировании чистого кислорода, а вакуумирование на всем температурном уровне охлаждения жидкого кис­лорода может осуществляться вакуум-насосами и эжекторами, освоенными промыш­ленностью.

На рис. 3.6.15 приведены диаграммы фазовых равновесий смеси 0₂ — N2 в обла­сти низких температур. Зная требуемую температуру охлаждения жидкого кислорода, по ним можно легко определить состав смеси и величину ее вакуумирования для получения заданной температуры.

При испарении бинарной смеси в процессе глубокого охлаждения жидкого кислоро­да необходимо компенсировать теплопритоки, вносимые при добавлении смеси, которое выражается зависимостью:

G_дол= G_долСр_смх∆Т/r_см

G_дол — количество доливаемой смеси;

Ср_см — теплоемкость смеси;

∆Т — перепад температур между доливаемой и вакуумируемой смесью;

r_см — теплота испарения смеси.

Рис.3.6.15. Диаграммы фазовых равновесий смеси Ог—N2

Величину теплоемкости смеси Ср_см с достаточной для практических расчетов точно­стью можно принять по закону аддитивности, то есть пропорционально мольным концентрациям смеси, так как в области исследуемых температур теплоемкость продук­тов, Ср, пракгически не меняется.

Теплота испарения r_см для смеси выражается, как

r_см=i_жид-i_пара

i_жид — энтальпия пара,

i_пара — энтальпия жидкости.

Для исследуемой области теп­лота испарения может быть опреде­лена по уравнению Клайперона-Клазиуса[37]:

d ln P/dT=r_см/RT²

где Р— общее давление над смесью.

Ниже приводится краткое описание возможной схемы средств охлаждения жидкого кислорода с помощью бинарной смеси «жидкий кислород — жидкий азот» (рис. 3.6.16). Бинарная смесь готовится в теплообменном аппарате 3 за счет подачи в него жидкого кислорода из резерву­ара 6 и чистого азота из резервуара 5 с помощью испарителей этих емкостей, создающих необходимое давление в паровых подушках этих емкостей. Состав смеси определяется по кривым, представленным на рис. 3.6.15. Средствами 4 смесь вакуумируется до получения необходимой температуры. Жидкий кислород из резервуара 1 прокачивается насосом 2 через теплообменник, где охлаждается до заданной температуры. Как показали экспери­менты, в теплообменном аппарате из смеси выкипает, в основном, азот. Поэтому под­питку в процессе охлаждения необходимо вести чистым жидким азотом из емкости 5. Бесспорно, возможны и другие варианты схем средств охлаждения: подготовка смеси в отдельном резервуаре, подача кислорода для приготовления смеси из резервуара / при соответствующей температурной развязке и другие.

Охлаждение жидкого водорода в большом масштабе впервые было осуществлено на СК МТКС «Энергия — Буран», что позволило существенно увеличить весовые характе­ристики полезного груза за счет повышения плотности жидкого водорода в баках ракеты.