Отчет по практике на фабрике ООО ОФ «Возрождение»

Схема парокомпрессионной машины и ее холодильный цикл.

Давления ркип и рконд однозначно связаны с Ткип и температурой конденсации Тконд св-вами хладагента, а Тконд определяется температурой окружающей среды; поэтому наинизшая температура в машине зависит от отношения рконд/ркип , т. е. только от возможностей компрессора. Если это отношение велико, сжатие производится в многоступенчатом компрессоре. В рассматриваемых машинах достигают охлаждения до Тх= 165 К, qх от 30-80 до 5 кВт,  = 0,5-7, = 0,3-0,5.  
В абсорбционных машинах (рисунок ниже) пары хладагента поглощаются жидким абсорбентом, из к-рого они затем десорбируются и сжижаются. В качестве хладагента обычно применяют NH₃, а в качестве абсорбента - воду. Пары NH₃ сжижаются в конденсаторе ТК, теплота конденсации q конденсатора отводится охлаждающей водой или воздухом. В испаритель ТИ дросселируется жидкий NH₃, при этом его температура снижается до Тх. За счет отвода теплоты qx от охлаждаемой среды NH₃ кипит, а его пары поступают в абсорбер Аб, где поглощаются разб. р-ром аммиачной воды, непрерывно подаваемой через вентиль Вн; теплота абсорбции qаб отводится Н₂О. Обогащенный р-р аммиачной воды подается насосом Н в подогреватель (кипятильник) Пд, где пары NH₃ отгоняются. Коэффициент = qx/(qпд + qн), где qпд - теплота, подводимая в кипятильнике, qн - теплота, эквивалентная мех. работе насоса.

Схема абсорбционной  машины.

Теоретически при одинаковых температурах кипения и конденсации хладагента для абсорбц. и паровых компрессионных машин холодильные коэффициенты равны, однако при низких температурах Тхкомпрессионные машины более эффективны.

Достоинство абсорбционных  машин - возможность использования  в них низкопотенциальных источников теплоты; недостатки - громоздкость и  большой расход воды. В машинах этого типа температура охлаждения достигает 208 К, qx = 290 - 7300 кВт,  = 0,5-0,8.  
Пароэжекторные машины (рисунок ниже) работают с затратой теплоты; сжатие хладагента осуществляется паровым эжектором, а конденсация - перемешиванием с водой. Рабочий водяной пар под давлением 0,8-1,0 МПа подводится из парогенератора к соплу эжектора Эж, где расширяется, создавая разряжение в испарителе ТИ, смешивается с отсасываемым из него паром и поступает в диффузор под давлением конденсации. В конденсаторе ТК водяной пар сжижается, конденсат частично подается в испаритель для восполнения потерь, а его осн. масса возвращается в парогенератор. При испарении в ТИ вода охлаждается, по замкнутому контуру поступает к холодильной камере ХК, подогревается и возвращается в испаритель. Для этих машин Тх достигает 283 К. Коэффициент (qпаp теплота, затрачиваемая на получение пара высокого давления), значительно ниже, чем для парокомпрессионных, а в некоторых случаях и абсорбционных машин.

Схема пароэжекторной машины.

Установки для получения  холода на криогенном уровне

(КУ). Эти установки, называют также просто криогенными, по назначению бывают рефрижераторные (вырабатывают низкотемпературный холод), ожижительные, газоразделительные и комбинированные. По способу получения холода различают след. циклы КУ: с дросселированием (i = const), расширением в детандере (S = const), дросселированием и расширением вдетандере, криогенных газовых машин, с выхлопом газа из постоянного объема и др.  
В циклах КУ особенно важен способ отвода теплоты от охлаждаемого тела, к-рое при охлаждении "приобретает" все температуры от Т0до Тх.

Идеальным для данного  случая является процесс 4'-3'  или  процесс 1'-4', т. е. непрерывный отвод  теплоты на каждом температурном  уровне в интервале Т0 - Тх. В реальных циклах осуществить такой отвод теплоты невозможно. Некоторого приближения к этому способу можно достигнуть применением ряда ступеней охлаждения на нескольких промежуточных уровнях. Для охлаждения при Тх= 150 - 250 К обычно достаточно использовать цикл с одной ступенью, для сжижения воздуха, О₂ или N₂ (Тх = 70 - 90 К) - с двумя ступенями, водорода (Тх = 20 К) -с двумя-тремя ступенями, гелия (Тх = 4-5 К) - не менее чем с тремя ступенями. Температурные уровни Тт (т= 1, 2, 3,...) каждой из п ступеней охлаждения в интервале Т0 - Тх можно оценить по формуле:

Применение того или иного  цикла, а также аппаратурное оформление КУ зависят от большого числа факторов (главный из них - необходимая холодопроизводительность, стоимость единицы холода и надежность работы установок). Поэтому в общем случае расчет и оптимизация криогенных установок представляют собой сложную задачу.  
Установки с дроссельными циклами отличаются исключит. простотой и надежностью в работе, вследствие чего широко распространены в производстве холода и сжиженных газов. Однако из-за низкой экономичности эти установки пригодны лишь для получения холода в небольших количествах.  
В установке с однократным, или простым, дросселированием (цикл Линде - Хемпсона; рисунок ниже) газ изотермически сжимается в компрессоре К (процесс 1-2), изобарно охлаждается в теплообменнике ТО до температуры Т3, расширяется (при i = const) в дроссельном вентиле Др от давления сжатия р2 до давления всасывания pl (процесс 3-4); при этом газ частично конденсируется. Жидкость в количестве X [доля сжиженного газа по отношению к количеству дросселируемого; кол-во последнего принимают за единицу, на рис. обозначают (1)] в состоянии f выводится из сборника Сб, а пар в количестве (1-Х)возвращается через ТО в компрессор. В точке 1 к нему добавляется газ в количестве X, и цикл повторяется. Холодопроизводительность qx = Tх(S5 - S4) = i1 - i2 = i5 - i4 = X(i1 - if). Доля выводимого сжиженного газа Xf = (i1 - i2)/(i1— if);  где R - газ. постоянная.

 

Схема криогенной установки с однократным дросселированием.

В идеальном дроссельном  воздушном цикле очень малы доля получаемой жидкости (~ 5,5%) и холодильный коэффициент (-7%); коэффициент 5%. В реальном цикле из-за тепловых потерь в окружающую среду, недорекуперации теплоты в ТО, а также неизотермичности сжатия значения  и  может быть существенно ниже (в 2-3 раза и более).  
Кроме низкой эффективности, простой дроссельный цикл оказывается принципиально непригодным при i1 < i2. Известны методы повышения эффективности такого цикла. Главный из них - предварит. охлаждение сжатого газа от внеш. источника. Так, в воздушном дроссельном цикле с промежуточным охлаждением до 228 К (Т0 = 300 К) доля получаемой жидкости увеличивается до ~ 16,5%, а - до 15%.  
Параметры криогенного цикла можно значительно улучшить применением двойного дросселирования и циркуляции части потока (рисунок ниже; D1 и D2 - потоки циркуляционный и направляемый на сжижение). В первом приближении холодопроизводительность такого цикла пропорциональна разности конечного (рк)и начального (рн) давлений хладагента: qх ~ (pк - pн), а механическая работа lк ~ ln(рк/рн). Поэтому холодильный коэффициент при увеличении рн существенно возрастает (при рк = 20 МПа и повышении рн с 0,1 до 10 МПа коэффициент  увеличивается по сравнению с  в 3,2 раза). При одинаковых давлениях р1 и р3доля сжиженного газа X по сравнению с долей газа при простом дросселировании уменьшается примерно на 15%, однако снижается на 40% мех. работа компрессора и на столько же процентов возрастает

 

Схема криогенной установки с двойным дросселированием.

Совершенствование циклов с дросселированием достигается применением в качестве рабочей среды смеси хладагентов (рисунок ниже) с различными температурами конденсации в интервале Т0 - Тх.

 

Такая смесь сжимается  в компрессоре К, при этом на уровне Т0 (р = р2)конденсируется часть потока - компонент с самой высокой  температурой конденсации. В сборнике Сб1 происходит разделение фаз: пар направляется в теплообменник ТО1, а жидкость в количестве D1 дросселируется через вентиль Дp1 в обратный поток. После охлаждения в ТО2 часть прямого потока снова конденсируется и т.д. Процесс продолжается до достижения наинизшей температуры Тх -температуры конденсации последнего компонента смеси при давлении р1. Криогенные установки и методы расчета состава смесей хладагентов достаточно сложны, но получаемый в результате эффект весьма значителен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема криогенной установки, работающей на смеси хладагентов.

Схема криогенной рефрижераторной установки с  двумя детандерами.

Установки с детандерными циклами. К этой группе обычно относят так  называемые рефрижераторные установки (хладагент циркулирует только внутри системы), в которых используются один или несколько (напр., два; рис. 12) детандеров на разных температурных уровнях, в том числе на самом нижнем. После изотермического сжатия в компрессоре газ охлаждается в теплообменнике ТО1, из которого часть газа в количестве Dl отводится в детандер Д1, расширяется в нем и поступает в теплообменник ТО2 в качестве обратного потока. Оставшаяся часть газа в количестве D2 после охлаждения в теплообменниках ТО2 и ТО3 расширяется в детандере Д2; при этом в установке достигается наинизшая температура (Тх). При понижении температуры охлаждаемого объекта от Т7 до Т6 рабочий газ подогревается от Т6 до Т7 и как обратный поток подается в теплообменник ТО3. Холодопроизводительность qx = D1hl + D2h2 + (i1 - i2), где h -разность энтальпий газа на входе в детандер и выходе из него. Термодинамическая эффективность реальных детандерных циклов зависит от Тх, однако достаточно высока ( hт = 0,2 - 0,4).  

Установки с дросселированием и расширением в детандерах широко распространены для сжижения газов и получения холода на любых температурных уровнях (вплоть до нескольких К). Число детандеров, которые могут работать параллельно или последовательно, изменяется от 1 до 4.

Благодаря отводу теплоты  на нескольких температурных уровнях  термодинамическая эффективность  этих установок достаточно высока и  достигает в цикле без потерь 75%. Циклы с одним детандером и дросселем используются для производства О2, N₂и Ar.  
В зависимости от давления в системе различают циклы высокого (20 МПа), среднего (4-6 МПа) и низкого (0,6 МПа) давлений. В цикле высокого давления (цикл Гейланда) детандер работает на самом верх. температурном уровне (рисунок ниже). Количества газа, направляемые в детандер и дроссель, примерно равны. Такая установка обладает наилучшими (по сравнению с установками среднего и низкого давлений) термодинамическими показателями (доля сжиженного газа X = 20%, коэффициент  = 18%), однако не может обеспечить большой холодопроизводительности, так как использует поршневые компрессоры и детандеры.  
В цикле низкого давления детандер работает на самом низком температурном уровне (рис. 14). Кол-во газа, направляемого в детандер, составляет около 96%, в дроссель - лишь 4%. Энергетические показатели подобных установок значительно хуже, чем для установок высокого давления (Х=6%,  12,5%). Однако в качестве детандеров и компрессоров применяют только турбомашины, что обеспечивает возможность переработки больших кол-в материальных потоков (до 300 тыс. м³/ч воздуха). Впервые цикл низкого давления осуществил П. Л. Капица, который сконструировал высокоэффективный турбодетандер, способный работать на уровне - 100 К.

 

 

 

 

 

 

 

Схема криогенной установки, работающей по циклу высокого давления.

Криогенные газовые машины нашли применение благодаря высокой  компактности и эффективности. Наиболее распространены машины, работающие по идеальному холодильному циклу Стирлинга, а также по циклу Гиффорда - Мак-Магона. В холодильном цикле Стирлинга (рис. 15) два поршня движутся в цилиндре прерывисто со сдвигом по фазе. Между  поршнями размещен регенератор Р, который  делит рабочую полость на теплую и холодную части. Газ изотермически сжимается (процесс 1-2), параллельным движением поршней изохорно перемещается через регенератор (процесс 2-3) и охлаждается до температуры Тх. Затем за счет движения правого поршня газ расширяется, его температура снижается и or охлаждаемого тела к нему подводится теплота (процесс 3-4). Поршни параллельно сдвигаются влево, холодный газ изохорно перемещается через регенератор, охлаждая его, и процесс повторяется.

Одноступенчатые машины используют для получения холода на уровне 150-70 К и до 40 К при небольшой  холодопроизводительности; 0,1, = 20 - 42%. Более низких температур достигают, применяя двухступенчатые машины трехступенчатые машины обеспечивают Тх = 8,5 К.

Схема криогенной установки, работающей по циклу низкого давления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема криогенной газовой машины, работающей по циклу  Стирлинга.

В машинах, работающих по циклу  Гиффорда - Мак-Магона, холод вырабатывается с помощью залпового выхлопа газа. Одноступенчатые машины используют для получения небольших кол-в холода на уровне до 35 К, а двухступенчатые - до 7 К. Коэффициент  для этих машин меньше, чем для машин, работающих по циклу Стирлинга.  
Из-за сложности аппаратурного оформления холодильные процессы трудно моделируются. Поэтому их исследования и испытания холодильного оборудования выполняют, как правило, не на лабораторных, а на стендовых (полупромышленных) и пром. образцах, реальных хладагентах и в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.

 

Компрессоры

Компрессор – устройство для повышения давления и перемещения газов. При работе компрессора происходит преобразование электрической энергии в энергию сжатого вещества (газа). Компрессоры имеют большое разнообразие конструкций и типов, различаются по давлению, производительности, сжимаемой среде, условиям окружающей среды. Компрессоры используются практически во всех отраслях производства: в энергетике, в газовой отрасли (агрессивные и взрывоопасные газы), в нефтехимической промышленности, в химической отрасли, металлургии, в электрохимической промышленности, в различных добывающих отраслях и т. д.