Алексей Борисович Грачев

РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ
СХЕМ КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК

Учебное пособие по курсу «Рефрижераторы и ожижители»

Рассмотрен общий подход к расчету и термодинамической оптимизации схем криогенных установок, работающих по стационарным процессам. Приведены методики расчета и оптимизации, основанные на эксергетическом анализе потерь в установках, с обсуждением их преимуществ и недостатков. В качестве примеров для некоторых схем описаны алгоритмы и составлены блок-схемы расчетов на ЭВМ. Рассмотрены вопросы получения жидкого параводорода.

Учебное пособие предназначено студентам, изучающим дисциплину «Рефрижераторы и ожижители», «Проектирование криогенных систем». Оно может быть также полезно студентам старших курсов при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Редактор В.М. Бродянский
Рецензенты:
докт. техн. наук проф. Н.М. Григоренко
докт. техн. наук доц. В.Б. Зенкевич
Утверждено учебным управлением МЭИ в качестве учебного пособия для студентов

Публикуется по изданию:
Расчет и оптимизация схем криогенных установок. Грачев А. Б./Под ред. В.М. Бродянского. — М.: Моск. энерг. ин-т, 1987. — 88 с.
УДК: 621.59.061.001.24 (075.8)

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОИ ЭФФЕКТИВНОСТИ КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК

1.1. Рефрижераторный режим работы установки
1.2. Ожижительный режим работы установки
1.3. Комбинированный режим работы установки

2. УСТАНОВКИ С НЕОХЛАЖДАЕМЫМИ СПО

2.1. Установки с дроссельной ступенью окончательного охлаждения, работающие на однокомпонентном рабочем теле с однократным дросселированием
2.2. Установки, работающие на однокомпонентном рабочем теле с двукратным дросселированием
2.3. Установки с дроссельной ступенью окончательного охлаждения, работающие на многокомпонентных газовых смесях
2.4. Установки с эжекторно - дроссельной ступенью окончательного охлаждения
2.5. Установки с детандерной ступенью окончательного охлаждения

3. УСТАНОВКИ С ОХЛАЖДАЕМЫМИ СПО

3.1. Необходимость и целесообразность охлаждения СПО
3.2. Закон оптимальной разности температур между потоками в теплообменных аппаратах
3.3. Установки с детандерами в СПО
Расчет и оптимизацию параметров рабочего тела гелиевого ожижителя с параллельным включением детандеров
3.4. Установка с вспомогательными криоагентами
Алгоритм расчета и оптимизации

4. ПОЛУЧЕНИЕ ЖИДКОГО ПАРАВОДОРОДА

4.1. Общие сведения
4.2. Минимальная работа, затрачиваемая для получения жидкого параводорода
4.3. Схемы ожижителей
Ожижители небольшой производительности
Получение жидкого параводорода в больших количествах
Алгоритм расчета и оптимизации установки

ПРЕДИСЛОВИЕ

Создание криогенной установки на заданные параметры начинается с разработки ее принципиальной схемы. Уже на этой стадии проектирования необходимо учитывать многие факторы, среди которых на первый план чаще других выдвигаются требования высокой термодинамической эффективности, большого ресурса работы и надежности системы.

В некоторых случаях необходимо также учитывать ограничения по габаритам и массе оборудования. Большинство факторов, определяющих выбор оптимальной схемы установки, находится во взаимосвязи. Вместе с тем ряд из них вступает во взаимное противоречие. Поэтому при проектировании обычно принимают компромиссные решения.

На начальном этапе разработки ориентировочно выбирают термодинамический цикл или квазицикл, который предполагается положить в основу схемы. Уточнение ее структуры производится на стадии расчета и термодинамической оптимизации параметров рабочего тела в установке. Эти вопросы и рассмотрены в настоящем учебном пособии. Его сравнительно небольшой объем не позволил рассмотреть различные виды установок. Поэтому расчет и оптимизация изложены только применительно к установкам, основанным на термомеханических принципах действия и работающим на однокомпонентных рабочих телах по стационарным процессам. Что касается газовых смесей, то вопросы их использования в криогенных установках обсуждены в общем виде без конкретных расчетов.

Расчет и оптимизация рассмотрены с единых позиций термодинамического анализа потерь эксергии, происходящих в элементах установок. При этом выдержана концепция рационального сочетания аналитических методов расчета с привлечением аппарата термодинамики с численными, реализуемыми на ЭВМ.

В случаях, когда можно сравнительно просто и быстро получить конечный результат аналитическими методами, они используются непосредственно.

Решение сложных, многофакторных задач термодинамической оптимизации целесообразно осуществлять численными методами с использованием ЭВМ. Причем и в этих случаях граничные условия должны быть установлены с помощью аппарата термодинамики.

В этой связи материал учебного пособия изложен, начиная с простых, но имеющих основополагающее значение вопросов, с последующим переходом к более сложным.

Поскольку в учебной литературе по криогенной технике крайне мало освещены вопросы расчета и оптимизации с использованием ЭВМ, в настоящей работе приведены примеры составления алгоритмов и блок-схем расчета. Здесь также сохранен принцип перехода от простых случаев к более сложным. Этим, в частности, объясняется приведенный пример использования ЭВМ для оптимизации дроссельной установки, расчет которой может быть легко выполнен аналитическим методом.

В отдельной главе изложены некоторые вопросы получения жидкого параводорода. Это вызвано различными причинами. Во-первых, получение жидкого параводорода связано с переводом его в процессе ожижения из нормального состояния при Тс в парамодификацию и соответствующим отводом теплоты реакции; это единственный вид ожижения рабочего тела, сопровождающегося тепловыделениями, связанными с изменением молекулярной модификации вещества. И эти тепловыделения необходимо учитывать при расчете и оптимизации установок.

Во-вторых, материала по получению жидкого параводорода в учебной литературе недостаточно. И, наконец, в-третьих, в последние годы существенно возрос интерес к водороду как к топливу. Известно, что длительное хранение жидкого водорода требует перевода его в парамодификацию.

Для краткости изложения материала использованы следующие общеизвестные сокращения:
СПО — ступень предварительного охлаждения,
СОО — ступень окончательного охлаждения.

Учебное пособие предназначено в первую очередь в помощь студентам, изучающим дисциплину «Рефрижераторы и ожижители». Оно может быть полезным также студентам старших курсов при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Автор выражает благодарность инж. А. В. Орлову и инж. Н. А. Ниловой за помощь в подготовке графического материала учебного пособия.

ЛИТЕРАТУРА

Рекомендуемая
1. Бродянский В. М., Семенов А. М. Термодинамические основы криогенной техники. - М.: Энергия, 1980. - 447 с.
2. Автономные криорефрижераторы малой мощности/Боярский М. Ю., Грачев А. Б., Калинин Н. В. и др.: Ред. В. М. БродянекиГт. - М.: Энерго-атомиздат, 1984. - 206 с.
3. Справочник по физико-техническим основам криогеники/Под ред. М. П. Малкова. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.-431 с.
4. Архаров А. М., Марфенина И. В., Микулии Е. И. Теория и расчет криогенных систем. - М.: Машиностроение, 1978. - 414 с.
Использованная
5. Бродянский В. М., Мартынов А. В., Агеев А. И. Термогазодинамический расчет криогенных установок с эжекторами. - Изв. вузов. Энергетика, 1978, М 7, с. 66-73.
6. Соколов Е. Я., Зингер Н. М. Струйные аппараты. - М.: Энергия, 1970. - 283 с.
7. Капица П. Л. Расчет гелиевого ожижительного цикла с каскадным включением детандеров. - Журн. техн. физ., 1959, т. 29, вып. 4, с. 427-432.
8. Жидкий водород: Сборник переводов/Под ред. М. П. Малкова. - М.: Мир, 1964.-413 с.
9. Фаркас А. Ортоводород, параводород и тяжелый водород: Пер. с англ. - М.: ОНТИ, 1936. - 244 с.
10. Рожков И. В., Алмазов О. Я., Ильинский А. А. Получение жидкого водорода.- М.: Химия, 1967. - 197 с.
11. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: Пер. с англ./Ред. В. Б. Миносцев. - М.: Мир, 1982. - 235 с.
12. Grassman P., Kopp J. Zur gunstigsten Wahl der Temperaturdifferenz und Warmeubergangszahl in Warmeaustauschern.- Kaltetechnik, 1957, Bd 9, N2 10, S. 306-308.
13. Scott R. B., Denton W. H., Nicholls. Technology and uses of liquid hydrogen. - Oxford.: Pei gamon Press, 1964, 408 p.
14. Столпер Л. М., Халемский А. Н. Аналитическая зависимость для расчета теплоперепада в детандере. - Экспресс информация о работах НИИ и КБ отрасли. Сер. ХМ - 6. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1975. с. 35-37.