Криогенная технология защиты окружающей среды от выбросов хладонов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

КРИОГЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ОТ ВЫБРОСОВ ХЛАДОНОВ

А.В. Жучков, профессор, д.т.н., доцент, Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж

Применение хладонов в экстракционных технологиях переработки биологического сырья [1, 2] представляет серьезную экологическую угрозу, связанную с возможным разрушением озонного слоя в атмосфере. Поэтому улавливание паров хладонов на стадии дегазации сырья представляется весьма важной задачей.

Одним из возможных методов улавливания паров хладонов является его конденсация в азотоохлаждаемых конденсаторах. Пары хладона в таких устройствах конденсируются на рабочих поверхностях, охлаждаемых жидким азотом. При этом, как правило, полезно используется только теплота парообразования азота. Температура кипения азота при атмосферном давлении равна -196 0С. Она значительно ниже температур конденсации хладонов, составляющих -10... -80 0С, в зависимости от марки хладона.

С целью сокращения расхода азота необходимо полезно использовать не только его теплоту парообразования, но и теплоту нагревания газообразного азота от температуры кипения (-196 0С) до температуры конденсации хладона.

Как показывают расчеты, расход азота при этом уменьшается примерно в два раза [3, 4].

На рисунке 1 представлена схема азотоохлаждаемого конденсатора хладона, оригинальность конструкции которого подтверждена патентом РФ [3].

жидкий хладоп |г

Рис. 1. Принципиальная схема азотоохлаждаемого конденсатора хладона. 1 - корпус; 2 - охлаждаемый стакан; 3 - вставка; 4 - жидкий азот; 5 - конденсатная пленка хладона

После попадания внутрь корпуса 1 пары хладона конденсируются на наружной поверхности стакана 2, охлаждаемого жидким азотом. При этом нижняя часть стакана охлаждается кипящим азотом, верхняя - газообразным

азотом, поднимающимся по кольцевому зазору. Цилиндрическая вставка 3 служит для увеличения скорости газообразного азота и коэффициента теплоотдачи к нему, соответственно.

Поскольку температура кипения азота существенно ниже температуры замерзания хладона, то в нижней части стакана образуется слой твердого хладона, на наружной поверхности которого пары хладона конденсируется в жидкое состояние (рис. 2).

Стенка конденсатора 1 (рис. 2) слева охлаждается жидким азотом, температура насыщения которого t2н при атмосферном давлении равна -196°С. Испарившийся газообразный азот, двигаясь вверх от сечения В к сечению А, нагревается от температуры = -196°С до температуры t2A = -30...-40 °С за счет конденсации хладона на участке АВ.

Справа от стенки 1 находится насыщенный пар хладона, который конденсируется на поверхности конденсации. При этом на участке ВС образуется твердый слой хладона, поскольку температура кристаллизации улавливаемого компонента обычно существенно выше -196 °С. На участке АВ образование слоя улавливаемого компонента в твердой фазе маловероятно из-за низкого коэффициента теплоотдачи к газообразному азоту.

Рис. 2. Схема процесса конденсации хладона в азотоохлаждаемом конденсаторе.

1 - металлическая стенка конденсатора; 2 - слой твердого хладона; 3 - пленка жидкого хладона; 4 - насыщенный пар хладона; 5 - область движения газообразного азота (участок

АВ); 6 - жидкий азот (участок ВС)

Поток газообразного азота G2 равен количеству испарившегося азота на участке ВС и зависит от интенсивности процесса конденсации и уровня жидкого азота. Таким образом, температуры хладоносителя (азота) и поверхности конденсации изменяются по сложному закону, что оказывает существенное влияние на характер конденсации хладона.

Результаты численного моделирования процесса конденсации хладона-142 [4] представлены на рисунках 3 и 4. Температура газообразного азота на выходе из конденсатора (сечение А) растет по мере уменьшения уровня жидкого азота (рис. 3). Расход азота по мере увеличения уровня жидкого азота 1ВС существенно увеличивается (рис. 4).

I

х

г 2

Рис. 3. Распределение температуры азота по Рис. 4. Зависимость относительного расхода высоте конденсатора хладона Gi/G2 от уровня жидкого азота

в конденсаторе

Анализ результатов математического моделирования процесса конденсации в азотоохлаждаемом конденсаторе позволяет сделать следующее заключение: наиболее эффективно жидкий азот используется тогда, когда его уровень не превышает 10 % от высоты конденсатора. Выбросы газообразного хладона в атмосферу при этом практически отсутствуют.

Список использованной литературы

1. Шабанов И.Е. Интенсификация процессов низкотемпературной экстракции биологически активных веществ сжиженными газами /И.Е. Шабанов/ Матер. III съезда биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова / М: Макс Пресс, 2005. - С. 162-163.

2. Жучков А.В. Разработка технологии экстракции липофильных и гидрофильных фракций из биологического сырья /А.В. Жучков, М.В. Мальцев, И.Е. Шабанов, А.С. Каледин/ Матер. III междунар. конф. «Экстракция органических соединений» / ВГТА Воронеж, 2005. - С. 183.

3. Жучков А.В. Каледин А.С., Шабанов И.Е., Мальцев М.В., Соколов К.Л., Антипов В.С. Вымораживающая ловушка. Пат. 2303163 РФ, Бюл. № 20, 2007.

4. Жучков А.В. Расчет конденсации пара хладона на поверхности, охлаждаемой жидким азотом/А.В. Жучков, А.С. Каледин, К.Л. Соколов, И.Е. Шабанов / Воронеж: Вестник ВГТУ. Т.1. - № 6. - 2005. - 217 с.

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОЗЕРНЫХ ЭКОСИСТЕМ

РЕСПУБЛИКИ МАРИЙ ЭЛ

Е.А. Лунькова, студентка, Поволжский Государственный Технологический университет,

г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл

Республика Марий Эл считается одной из самых озёрных в Волго-Вятском регионе. На её территории насчитывается свыше 650 озёр, общей

174