Криофизика - Молекулярно-кинетическая теория  
  Испарение и
конденсация
Пленочное
кипение
Сверхтекучий
гелий
Эксперименты События Библиотека  


Испарение и конденсацияПленочное кипениеСверхтекучий гелийЭксперименты
События и мероприятияБиблиотека• История холода• Разделение газовых смесей• Оборудование гелиевого ожижителя Г-45• Криогенные трубопроводы• Хранение и транпорт ожиженных газов• Основы методики проектирования криогенных установок• Вспомогательное оборудование криогенных установок• Расчет низкотемпературных установок• Методика расчета схем криогенных установок (рефрижераторы и ожижители)• Методика расчета схем криогенных установок (рефрижераторы с нестационарными потоками)• Характеристики криогенных систем при работе на смесяхСправочные данные
БольцманиадаХейке Камерлинг-ОннесКриогениус


В.М. Бродянский, Ю.М. Синявский.
Основы методики проектирования криогенных установок

4.5. Пример определения единичного показателя качества криогенных установок


Анализ алгоритма комплексного метода определения уровня качества показывает, что большинство единичных показателей, на основе которых вычисляется K0, одинаковы для продукций различных отраслей машиностроения. Некоторые примеры расчета уровней качества по таким показателям приведены в [17, 18]. Определенная специфика наблюдается при раскрытии лишь технического показателя KТ, который базируется на трех комплексных свойствах: назначении, надежности, технологичности. Очевидно, что одно из них – назначение – для каждого объекта существенно различно даже в пределах одной подотрасли.

Применительно к криогенным системам выделяют шесть показателей назначения: температурный уровень работы T0, производительность (в частности для криорефрижераторов – холодопроизводительность Q0), энергетическая эффективность, удельные материалоемкость и габаритный объем время выхода на режим. Из них два – температурный уровень и производительность показывают узко конкретное назначение криогенной системы, диктуемое объектом обслуживания, для которого она предназначена. Остальные четыре характеризуют результаты труда создателей криогенной системы и поэтому служат мерилом для оценки ее технического) уровня.

В небольшом по объему учебном пособии нет возможности подробно рассмотреть все показатели, поэтому остановимся на одном – энергетической эффективности. Рассмотрев на примере энергетической эффективности общий подход к построению показателей надежности, нетрудно по аналогии построить и другие. В научно-технической литературе отмечается наличие корреляционной связи между удельными показателями назначения и производительностью установок. Эти зависимости аналогичны практически для всех показателей; они приведены, в частности, в [9, 20].

Имеется и другая причина; требующая более подробно рассмотреть именно энергетическую эффективность. Криогенные установки – весьма энергоемкие системы и в эксплуатационных расходах энергетическая составляющая обычно доминирует. Даже для автономных транспортных систем, выбор и установка которых на объекте определяется прежде всего массовыми показателями, энергетическая эффективность играет чрезвычайно важную роль. Это обусловлено тем, что основная составляющая полной массы таких систем – источники питания, для каждого типа которых масса и мощность определяются опять-таки энергетической эффективностью системы.

Так, например, относительная доля источников питания в суммарной массе автономного криорефрижератора Q0=1 Вт на уровне 4,2K, предназначенного для работы на летательном аппарате, может составлять 70–85% при использовании солнечных батарей и 35–50% – при использовании относительно мощных энергоблоков на основе реакторов-турбогенераторов.

Энергетическая эффективность криогенных установок как термодинамических систем оценивается с помощью КПД или величины обратной ему, – удельным расходом энергии. Термин КПД приобрел столь большую популярность, что только в низкотемпературной технике появился целый ряд КПД, определяемых различными, порой логически мало или совсем не связанными между собой способами. Поэтому значения КПД, определяемые разными способами для одной и той же установки, естественно, отличаются, что отражается впоследствии и на объективности оценки качества системы.

Подробный анализ многочисленных разновидностей КПД дан в [9]. Ниже мы остановимся лишь на основных принципах построения КПД, обеспечивающего объективную оценку степени совершенства конкретной системы и дающего возможность сопоставлять по этому критерию не только однотипные, но и разнотипные системы (например, рефрижераторы и ожижители).

Принцип построения КПД определяется смысловым значением этого понятия – коэффициент полезного действия, т. е. КПД должен представлять собой отношение полученного в результате работы системы полезного эффекта АП к затратам АЗ, необходимым для получения эффекта:


(4.12)

Это обобщенное понятие КПД справедливо для любого типа технического объекта. При этом должно выполняться лишь одно условие обе величины АП и АЗ должны быть качественно однородны и измеряться, естественно, в одних и тех же единицах. В низкотемпературной технике, как и применительно ко многим энергетическим объектам, КПД используется только как термодинамическое понятие и поэтому раскрывается через термодинамические функции состояния или параметры процесса.

Для криогенных установок полезным эффектом служит, естественно, их производительность. При этом необходимо иметь в виду два обстоятельства: во-первых, производительность характеризуется различными показателями в зависимости от назначения установки (ожижитель, рефрижератор, газоразделительная установка); во-вторых для конкретного класса установок она определяется по меньшей мере двумя показателями (например, холодопроизводительность и температурный уровень криостатирования для рефрижераторов; количество ожиженного газа и его состав для ожижителей. У газоразделительных установок и комбинированных рефрижераторов-ожижителей таких показателей может быть шесть и даже более).

Наличие двух и более показателей приводит к определенным трудностям при оценке качества установок с точки зрения их эффективности, а также ряда других технических показателей. В частности, для криорефрижераторов такие показатели, как удельный расход энергии или обратная величина – холодильный коэффициент, вычисляемые только через холодопроизводительность, не могут в общем случае служить критерием энергетической эффективности уставовки, так как не учитывают качество получаемого холода – уровень криостатирования Т0.

Для объективной оценки качества установки необходимо иметь критерий, однозначно отражающий как количественные (величина Q0, массовые расходы ожижаемых продуктов или получаемых в результате разделения газовых смесей), так и качественные (Т0, теплофизические свойства ожижаемого криопродукта, концентрации фракций, получаемых при разделении газовых смесей) показатели производительности. Этому требованию полностью удовлетворяет эксергетическая производительность Е, которая определяется эксергией получаемых продуктов (тепловых и материальных потоков) и вычисляется по известным формулам или эксергетическим диаграммам [9, 29].

Более того, в силу аддитивности эксергии величина Е может служить обобщенной характеристикой производительности, применимой к любому виду продукции криогенных установок. Это дает возможность сопоставлять по производительности любые типы установок вне зависимости от их назначения и режима эксплуатации.

На основе выводов, полученным при рассмотрении производительности (положительного эффекта АП) криогенных установок, нетрудно установить, что и затраты АЗ, на работу установок должны быть выражены в эксергетических величинах.

При таком подходе к раскрытию выражения (4.12) величины АП и А3 качественно однородны, а их отношение характеризует степень совершенства (энергетическую эффективность) трансформации вводимых первичных потоков эксергии АЗ, в полезный продукт АП. Поскольку величины АЗ и АП представляют собой потоки эксергии, то их отношение ηe естественно называть эксергетическим КПД.

В качестве примера на рис. 4.1 представлена зависимость эксергетического КПД ηe, современных рефрижераторов и ожижителей от их производительности Е. Каждая точка на поле графика характеризует совершенство конкретной установки.

Возвращаясь к материалам предыдущих параграфов главы, напомним, что для определения уровня конкретного свойства рассматриваемой системы (в данном случае энергетической эффективности) вводят относительные показатели в соответствии с выражением (4.1). Поэтому полученное по (4.12) значение ηe необходимо сопоставить с эталоном. Если за эталон принять теоретически обоснованный предел изменения численных значений свойств, то для КПД такой величиной служит ηe =1. Следовательно, относительный показатель ηee0 численно равен найденному значению ηe.

Если эталон определяется лучшими мировыми системами, значения ηe0 могут быть найдены в общем случае по верхней огибающей кривой на рис. 4.1, отражающей эффективность лучших криогенных установок. При назначении ηe можно также учесть температурный уровень работы криогенной установки и принять за эталон лучшие образцы, работающие в конкретном диапазоне температур. Три таких характерных диапазона (1-10K; 12-35K; 65-90K) выделены на рис. 4.1. Очевидно, что относительные показатели ηee0 в этом случае численно больше, чем ηe, что, безусловно, скажется на уровне качества. Это еще раз подчеркивает важность четкого обоснования эталона при расчетах качества.


Рис. 4.1. Энергетическая эффективность криогенных установок.
Обозначение установок, работающих на температурном уровне:
1 – T0=1–10K; 2 – T0=12–35K; 3 – T0=65–90K.

Обоснование эталона и вида функции зависимости между показателями простых свойств и их оценками – функция φ в выражении (4.1) – позволяет завершить расчет уровня качества по конкретному свойству – в данном случае энергетической эффективности.



Следующая страница: 4.6. Управление качеством в процессе проектирования


    Главная   • Библиотека   • Основы методики проектирования криогенных установок   • 4.5. Пример определения единичного показателя качества криогенных установок  

  Испарение и конденсация Пленочное кипение Сверхтекучий гелий Эксперименты
События Библиотека Справочники Больцманиада Камерлинг-Оннес Криогениус
 
  © Криофизика.рф 2006-2021.
Молекулярно-кинетическая теория. Научные публикации.
Испарение и конденсация. Плёночное кипение. Сверхтекучий гелий.
о проекте
условия использования
контакты
карта сайта