Жидкий водород и криогенные установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Назначение и область применения

2. Выбор схемы и тепловой расчет

2.1 Исходные данные

2.2 Выбор начальных параметров

2.3 Тепловой расчет цикла

3. Определение удельных затрат энергии

4. Описание технологической схемы установки

5. Расчет теплообменных аппаратов

5.1 Расчет теплообменного аппарата ТА2



Введение

В наши дни сложилось новое направление в науке и технике связанное с изучением и использованием криогенных систем. Темпы роста объемов производства криогенного оборудования и криогенных продуктов в течение последних тридцати лет находятся на очень высоком уровне.

Сформировалась самостоятельная отрасль машиностроения - криогенное машиностроение, которое бурно развивается, поскольку применение криогенного оборудования позволяет внедрять новые высокопроизводительные технологические процессы в таких определяющих отраслях как, металлургия, химия, энергетика.

В настоящее время накоплен значительный опыт промышленного применения кислорода, водорода, аргона и других продуктов разделения воздуха в черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, медицине и ряде других отраслей народного хозяйства .Развитие перспективных водородных технологий в ряде отраслей народного хозяйства требуют увеличение производства жидкого водорода. В этой связи проблема повышения эффективности ожижителей водорода придается большое значение.

Возможности традиционных направлений совершенствования ожижителей, связанных с улучшением оборудования, в значительной степени уже исчерпаны, так как технические характеристики оборудования достигли довольно высокого уровня. Увеличение энергетической эффективности ожижителей водорода возможно с переходом к установкам с внешним холодильным циклом. Целесообразность такого подхода уже доказана на малых ожижителях, на базе газовых криогенных машин, которые использовались для ожижения водорода и воздуха.

Предварительное охлаждение посредством фреоновых холодильных машин является одним из примеров использование внешних циклов в крупных ожижителях. Таким образом, представляется перспективным эффективное сочетание процессов в криогенном (водородном) и холодильном (фреоновом) циклах.

Процессы ожижения, хранения и транспортировки водорода освоены отечественной и мировой криогенной промышленностью главным образом в связи с развитием ракетостроения, химии, металлургии и ядерных исследований. Водород прочно вошел в космонавтику в качестве топлива жидкостных ракетных двигателей. Однако основная доля получаемого водорода на Западе потребляется металлургической и химической промышленностью. Крупнотоннажные производства жидкого водорода, а также соответствующую инфраструктуру его использования начали создавать с середины XX в. для реализации различных программ освоения космоса. В настоящее время водород рассматривается как идеальное экологически чистое топливо для наземных и авиационных транспортных средств и др. объектов. Для развития водородной энергетики необходимо создание совершенного оборудования для всего технологического цикла использования водорода: ожижение, хранение, транспортирование. Загрязнение атмосферы и надвигающееся глобальное изменение климата способствовали росту научного и общественного интереса к водороду как к идеальному экологически чистому топливу. В США, Европейском Союзе, Японии и в других странах созданы правительственные структуры по развитию водородной энергетики. Ими осуществляется большой объём исследований и разработок при государственной финансовой поддержке. К водородной энергетике проявляют интерес не только авиация, автомобильный транспорт, но также нефтехимическая промышленность, технологии обработки металлов, очистки моторных топлив и масел, и многое другое.



1. Назначение и область применения

Жидкий водород может быть использован в качестве формы хранения топлива для двигателей внутреннего сгорания и топливных элементов. Различные концепты водородного транспорта были созданы с использованием этой агрегатной формы водорода. Благодаря близости конструкций, создатели техники на «ЖВ» могут использовать или только модифицировать системы, использующие сжиженный природный газ. Однако из-за более низкой объемной плотности энергии для горения требуется больший объем водорода, чем природного газа. Если жи Жидкий водород может быть использован в качестве формы хранения топлива для двигателей внутреннего сгорания и топливных элементов. Различные концепты водородного транспорта были созданы с использованием этой агрегатной формы водорода. Благодаря близости конструкций, создатели техники на «ЖВ» могут использовать или только модифицировать системы, использующие сжиженный природный газ . Однако из-за более низкой объемной плотности энергии для горения требуется больший объем водорода, чем природного газа. Если жидкий водород используется вместо «СПГ» в поршневых двигателях, обычно требуется более громоздкая топливная система. При прямом впрыске увеличившиеся потери во впускном тракте уменьшают наполнение цилиндров.

Жидкий водород используется также для охлаждения нейтронов в экспериментах по нейтронному рассеянию.

Жидкий водород используется также для охлаждения нейтронов в экспериментах по нейтронному рассеянию. Массы нейтрона и ядра водорода практически равны, поэтому обмен энергией при упругом столкновении наиболее эффективен.



2. Выбор схемы установки и тепловой расчет цикла.

Для расчета цикла ожижения водорода, примем цикл с несколькими ступенями предварительного охлаждения (далее ПО) и дросселированием, используя для первой ступени ПО азотную ванну при атмосферном давлении, а для второй под вакуумом.

Такой выбор цикла обусловлен тем, что, хоть цикл существенно усложняется, но заметно улучшаются термодинамические характеристики и повышается экономичность. Так же, такая организация цикла, предпочтительнее нежели, подобный цикл с одной азотной ванной под давлением, т.к. это позволяет уменьшить общий расход азота.

2.1 Исходные данные

Расчетная температура окружающей среды

Температура внешнего источника охлаждения (жидкий азот под вакуумом)

Производительность установки по жидкому криопродукту G_H2 = 900 кг/ч;



Рис. 1. «Расчетная схема и цикл в координатах T - S»

2.2 Выбор начальных параметров

- давление кипения жидкого водорода, обеспечивающее температурный уровень 20,4 К [2];

- исходя из соображений получения жидкости после процесса дросселирования, так же зависимости коэффициента ожижения водорода от давления, представленной [2];

Температура внешнего источника охлаждения (жидкий азот).. - температура кипения жидкого азота при атмосферном давлении [1];

Недорекуперации (в размере 3 - 5 % от температурного уровня):

;

Теплопритоки :

q_c = (0,03 … 0,05) ;

q_c1 = 2 , ;

q_c2 = 7 ;

q_c3 = 9

2.3 Тепловой расчет цикла

Для расчета циклов первоначально необходимо определить параметры в точках, необходимых для расчета и получения искомых величин.

Для этого составим сводную таблицу теплофизических параметров для всех точек цикла.

Чтобы рассчитать цикл, необходимо разбить расчетную схему установки на несколько контуров, и затем составить энергетические балансы выбранных контуров. Результатом решения балансных уравнений является определение искомой величины.

Составление системы уравнений энергетических балансов:

I: i₁ + (1-x)*i_{11`</sub> + G<sub>A1</sub>*i<sub>1a</sub> + G<sub>A2</sub>*i<sub>3a`}+q_c1 = i₄ + (1-x)*i_{1`</sub>+G<sub>A1</sub>*i<sub>3a</sub> + G<sub>a2</sub>*i<sub>4a`};

II: i₄ + (1-x)*i_{10`</sub> + G<sub>A2</sub>*i<sub>1a</sub> + q<sub>c2</sub> = i<sub>6</sub> + (1-x)*i<sub>11`}+G_A2*i_3a` ;

III : i₆ + q_c3 = x*i_f + (1-x)*i_10` ;

Заносим значения нужных нам для расчета параметров в таблицу:

Таблица 1. «Сводная таблица параметров всех точек цикла»

(.)	P, МПа	T, К	i, кДж/кг
i1	0,1	300	4239,00
i1`	0,1	290	4095,80
i2	12	300	4294,50
i3	12	260	3712,38
i4	12	80	1175,70
i5	12	75	1100,80
i6	12	65	946,80
i7	12	55	790,80
f	0	20,4	271,62
i8	0	20,4	790,80
i9	0,1	20,4	717,60
i10	0,1	65	1194,00
i10`	0,1	63	1172,84
i11	0,1	80	1354,20
i11`	0,1	77	1324,92
i1а	0,1	80	131,50
i2а	0,1	80	327,40
i3а	0,1	100	349,51
i1а`	-	65	98,90
i2а`	-	65	315,80
Примечание. Здесь и далее все значения теплофизических величин из [1].

Определение коэффициента ожижения (выражаем из уравнения третьей ступени (III):

- изотермический эффект дросселирования соответствующий температуре Т_АВ2.

Полученное значение коэффициента ожижения достаточно близко совпадает с литературными данными [2].

Температура (.)11` определяется по недорекуперации на теплом конце теплообменного аппарата ТА2.

;

Тогда

Температура (.)10` определяется по недорекуперации на теплом конце теплообменного аппарата ТА3.

Тогда

Процесс дросселирования характеризуется равенством энтальпий в начальный и конечный моменты времени, а следовательно:

Далее необходимо определить расход жидкого азота на предварительное охлаждение водорода прямого потока.

Расход азота в первой азотной ванне выразим из первого (I) уравнения энергетического баланса:

I: i₁ + (1-x)*i_{11`</sub> + G<sub>A1</sub>*i<sub>1a</sub> + G<sub>A2</sub>*i<sub>3a`}+q_c1 = i₄ + (1-x)*i_{1`</sub>+G<sub>A1</sub>*i<sub>3a</sub> + G<sub>a2</sub>*i<sub>4a`} ;

Отсюда расход азота находится как:

Расход азота во второй азотной ванне выразим из второго (II) уравнения энергетического баланса:

II: i₄ + (1-x)*i_{10`</sub> + G<sub>A2</sub>*i<sub>1a</sub> + q<sub>c2</sub> = i<sub>6</sub> + (1-x)*i<sub>11`}+G_A2*i_3a` ;

Отсюда расход азота находится как:



3. Определение удельных затрат работы

Энергия тратится на охлаждение азота, и

(L_к+L_доп)/x,

где L_к - работа на сжатие газа в компрессоре, L_доп - дополнительный расход энергии на получение охлаждающей жидкости.

В свою очередь:

L_доп= G_A*,

где-удельный расход энергии на получение единицы массы взота [Дж]

Таким образом, удельная работа на 1 кг жидкого водорода:

жидкий водород криогенный установка

Определим количество часового расхода водорода через компрессор, для получения заданной производительности в G = 900 кг/ч, составляем пропорцию:

1 - 0,241

G - 900 кг/ч

G = 900/0,241 = 3734,44 кг/ч.

4. Описание технологической схемы установки

В этой установке средней производительности расход перерабатываемого газообразного водорода составляет 725 м³/ч. Низкотемпературный блок этого ожижителя размещен в двух корпусах с вакуумно-порошковой изоляцией. В первом корпусе находится основной теплообменник и ванна 2 с жидким азотом, кипящим при давлении, близком к атмосферному (Т = 81 К). Во втором корпусе находится промежуточный теплообменник 3, ванна 4 с жидким азотом, кипящим в вакууме (Т= 66 К), нижний теплообменник 5, дроссель 6, система для сбора жидкого водорода и проведения ортопараконверсии. Установка ВО-2 позволяет получать жидкость, содержащую 97--98 % параводорода. Сжатый в компрессоре до 12,5 МПа и очищенный от примесей водород проходит все теплообменники и дросселируется в промежуточный сборник 10 до давления 0,5 МПа, откуда пар и часть жидкого водорода выходят через пневматический клапан 7. Пар идет обратным потоком через теплообменники, а жидкость поступает во второй сборник 12, внутри которого размещены реакторы и змеевик-конденсатор. Жидкий водород из этой емкости поступает сначала в реактор 9 и конденсатор 8, а затем во второй реактор 11, откуда выдается потребителю.

Таким образом, здесь применена одноступенчатая конверсия, так как производительность по параводороду относительно невелика (140 дм³/ч). Из сборника 10 можно непосредственно получать нормальный водород, тогда производительность возрастает до 230 дм³/ч.

Универсальная установка ВО-2 может работать и в рефрижераторном режиме; при этом жидкий нормальный водород из сборника 10 поступает к потребителю, а холодный пар возвращается в ожижитель.



5. Расчет теплообменных аппаратов

5.1 Расчет теплообменного аппарата ТА2

Расчёт ТА2:

1) Определение параметров точек

Таблица 2. «Параметры точек ТА»

	T,K	P,MПа	i, кДж/кг
1(6)	65	12	946,80
2 (7)	43,2	12	605,72
3(9)	20,4	0.1	717,60
4 (10)	63	0.1	1172,84

Найду энтальпию h2 из теплового баланса теплообменника

G_пр (i₁ - i₂) + G_пр q_ос = G_обр (i₄ - i₃)

3734,44 (946,80- i₂) + 3734,44*9 = 2871,78 (1172,84-717,60)

i₂ = 605,72 кДж/кг

T₂ = 43,2 K

2) Определение средней температуры для потоков

Прямой поток

Т_{ср. пр} = (65 + 43,2) /2 = 54,1 K

Таблица 3: «Параметры при средней температуре прямого потока»

спр, кг/м3	Мпр, Пас	Prпр	лп, Вт/(мК)	ср, кДж/(кгК)
52,14	61,710-7	0,817	111,510-3	14,6103

Обратный поток

Т_ср.обр = (20,4 + 63) /2 = 41,7 K

Таблица 4: «Параметры при средней температуре обратного потока»

сc, кг/м3	мc, Пас	Prc	лc,Вт/(мК)	ср, кДж/(кгК)
0,616	19,910-7	0,67	31,14*10-3	10,56103

3) Мощность теплообменного аппарата

Q = (G_пр/3600)(i₁ - i₂) = (3734/3600) (946,8- 605,72) = 352,87 кВт

4) Находим среднюю интегральную разницу температур

q = i₄ - i₂ = 1172,84-605,72 = 567,12 кДж/кг

q_i = q/n

q_i = 593,91 /10 = 56,71 кДж/кг

По таблице 1, находим среднюю интегральную разницу температур:

ДТ_ср.инт = n / (?1/(ДТ_ср.уч.)) = 10 / (0.050+0.080+0.071+0.063+0.051+0.042+0.034+ 0.031+0.029+0.026) = 10,188 К

Таблица 5. «Сводная таблица изменения параметров потоков в ТА3»

N	iпр, кДж/кг	Tпр, К	Tобр, К	ДТi, К
0	1172,84	65	63	2
1	1116,13	62,82	58,74	4,08
2	1059,42	60,64	54,48	6,16
3	1002,71	58,46	50,22	8,24
4	946	56,28	45,96	10,32
5	889,29	54,1	41,7	12,4
6	832,58	51,92	37,44	14,48
7	775,87	49,74	33,18	16,56
8	719,16	47,56	28,92	18,64
9	662,45	45,38	24,66	20,72
10	605,74	43,2	20,4	22,8

Определяем линейную скорость прямого потока:

w_пр = W_{м пр}/с_пр = 250/52,14 = 4,79 м/c

Определяем линейную скорость обратного потока:

w_обр = W_{м обр}/с_обр = 5/0,616 = 8,116 м/c

Расход потока:

G_пр=3734,44/3600=1.037 кг/c

G_обр=2871,78/3600=0.797 кг/c

52,14- средняя плотность на прямом потоке, при Тср=54,1 К

0,616- средняя плотность на обратном потоке, при Тср= 41,7 К

Конструктивный расчет теплообменника ТА3.

Так как данный теплообменник представляет собой двухпоточный аппарат, то он может быть выполнен в виде витого двухпоточного теплообменника.

Ввиду быстрого развития вычислительной техники, данную задачу можно решить при помощи ЭВМ.

А именно, с помощью программы «HEAT» [1].

Программа представляет собой несколько файлов, а именно:

dat2PVT.txt - текстовый файл для ввода данных;

rez2PVT.txt - текстовый файл, содержащий результаты расчета;

2PVT.exe - исполняемый файл, содержащий программный код и производящий все вычисления.

Алгоритм работы с программой «HEAT» состоит в следующем:

Необходимо открыть файл dat2PVT.txt, в результате чего на экране компьютера появится следующее:

Рис. 2. «Начальное диалоговое окно»

Ввод исходных данных



Рис. 3. «Ввод исходных данных»

Результаты расчета

Рис. 4. «Результаты расчета»

По результатам расчета имеем:

Витой двухпоточный теплообменный аппарат с трубками диаметром внутренним 1 мм, диаметром наружным 2 мм с одним слоем навивки трубки длиной 1,15 м на сердечник диаметром 0,06 м.

Высота теплообменного аппарата равняется 0,12 м.

Размещено на Allbest.ru

...