CC BY
158
УДК 621.565:621.59
В. Л. Бондаренко, Н. П. Лосяков, Ю. М. Симоненко
ВИХРЕВЫЕ И ВОЛНОВЫЕ КРИОГЕНЕРАТОРЫ В УСТАНОВКАХ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
Безмашинные аппараты занимают особое место в числе охладителей, использующих энергию сжатого газа, и имеют неоспоримые эксплуатационные и конструктивные преимущества — высокую надежность, многофункциональность, безынерционность, компактность, простоту изготовления. Эти особенности обусловили распространение безмашинных устройств в самых различных сферах: от вакуумной техники и медицины до криогеники. Отмечены общие физические признаки вихревых и волновых аппаратов. Рассмотрены схемы установок, в которых используются сепараторы и охладители. Обоснована перспективность применения газодинамических аппаратов в технологиях получения редких газов. E-mail: lnp@iceblick.com; workport@mail.ru Ключевые слова: газодинамические аппараты, вихревые и волновые криогенераторы, редкие газы.
В газодинамических системах энергия сжатого газа трансформируется в тепловую энергию, отводимую во внешнюю среду частично через стенки камеры энергоразделения или в виде истекающего газа [1]. Несмотря на кажущиеся отличия, в основе работы вихревых и волновых аппаратов лежит один и тот же принцип термической неравновесности в пульсирующем газе. В вихревых трубах этот процесс плотно "упакован" по радиусу вихревой камеры, а его источником служат турбулентные явления. В резонансных и пульсационных охладителях упругие колебания столба газовой среды генерируются механическими или струйными (акустическими) средствами. Аппараты, реализующие вихревой и резонансный принципы охлаждения потока могут иметь идентичные эксплуатационные признаки. Отличить их друг от друга можно только по косвенным признакам и внешним проявлениям, сопровождающим работу, например по характеру распределения температуры вдоль стенок камеры или по частотным акустическим параметрам [2].
Схемные решения охладителей и сепараторов с безмашинными аппаратами. Известны несколько приемов разделения газовых смесей с применением газодинамических устройств. Способ сепарации [3] характеризуется тем, что эффект компонентного расслоения потока достигается за счет ударной волны. Оригинальный метод очистки перерабатываемого воздуха от углекислоты основан на использовании газоструйного смесителя [4]. В этом аппарате происходит распыление жидкого воздуха из воздухоразделительной установки и кристаллизация СО2 в потоке. В осушителе газа [5] греющий и охлаждающий
эффекты вихревой трубы использованы для обеспечения теплового режима адсорберов. В неоновых установках [6, 7] и при переработке природного газа [8] эти же функции оказываются востребованными при подводе теплоты к кубу ректификационной колонны с одновременным охлаждением ее конденсатора.
Метод отделения твердых и жидких фракций во вращающемся потоке известен более 100 лет. Следует напомнить, что открытие в 1931 г. температурного вихревого эффекта явилось следствием изучения циклонов-сепараторов [9]. Способ разделения двухфазных потоков в поле центробежных сил совершенствовался по мере развития охлаждающих вихревых систем [10]. Проблеме выделения конденсата непосредственно в вихревой трубе посвящены многие работы [11], так как образование твердой фазы часто искажает геометрию проточной части и отрицательно сказывается на энергетической эффективности. Но при правильном схемном и конструктивном оформлении вихревой камеры удается совместить в одном устройстве обе функции: и охлаждающую, и сепарационную [12, 13]. В 1970-е годы. в России проведены исследования криогенных вихревых ректификаторов [14, 15], способных из частично сжиженного воздуха получать поток, обогащенный кислородом до 98 %, либо фракцию с содержанием в ней 97 % азота.
На рис. 1 приведена схема работы вихревого сепаратора воздуха. На вход устройства подается воздух, предварительно охлажденный до влажного состояния. Паровую фракцию фазового сепаратора направляют в сопло вихревой трубы, а жидкую фазу переохлаждают на 2... 5 К в теплообменнике с помощью холодного потока. Этот поток, отбираемый в осевой области вихревой трубы, состоит практически из чистого азота. На периферии камеры энергоразделения формируется слой жидкости, близкой по составу к кислороду.
Рис. 1. Вихревой ректификатор воздуха [15]:
ФС — предварительный фазовый сепаратор; Т — теплообменник; ВТ — вихревая труба
Включение безмашинных устройств в схему ВРУ позволяет уменьшить степень расширения в турбодетандере. За счет дополнительной ступени начальное давление на входе в расширительную машину падает с 20 до 8 МПа. В результате снижаются газодинамические потери в проточной части турбодетандера, уменьшаются динамические нагрузки и оптимальная скорость вращения ротора [16]. Наряду с этим растут геометрические размеры проточной части, что положительно сказывается на эффективности детандера. На рис. 2 показаны варианты включения газодинамических криогенераторов в схему воздухораз-делительной установки высокого давления.
Важной сферой использования безмашинных аппаратов является гелиевая техника. В криогенных установках, работающих на смеси легкого газа (гелия) и вспомогательного компонента, высококипящий продукт (фреон) отделяется в виде жидкой фазы в вихревом сепараторе [12] (рис.3,а) или каскаде вихревых аппаратов, сочетающих в себе функции охлаждающих и разделительных устройств [13].
Примеры включения волновых аппаратов в схемы гелиевых блоков показаны на рис.3,б и в. В низкотемпературной установке [17] кинетическая энергия расширяющегося криоагента преобразуется в энергию акустических колебаний. Она отводится в виде теплоты в теплообменнике Т3 обратным потоком и дополнительно в Т2, в который вводится поток из детандера.
На рис. 3, в показана модернизированная схема КГУ-250/4,5 [18]. В ней параллельно с дросселем (ДВ1) включен волновой криогенератор (ВКГ). При закрытом ДВ1 теплота, выделяемая в резонансной трубке отводится к детандерному потоку Д1-Д2. За счет дополнительного охлаждения части прямого потока в теплообменнике Т6 увеличивается изотермический дроссель-эффект на входе в ступень Т7-ДВ2. Это способствует повышению производительности ожижителя по сравнению со штатным режимом.
Экспериментальное исследование сепаратора неоногелиевой смеси. На рис. 4, а приведена схема крупномасштабной вихревой трубы, предназначенной для разделения углеводородных смесей на компоненты [19]. На рис.4, б изображено устройство миниатюрного сепаратора, диаметр которого на два порядка меньше, чем у известного устройства (см. рис. 4, а). Маломасштабная вихревая труба предназначена для отделения неоновой флегмы из смеси Не-Ые. В работах [6, 7] отмечалось, что при получении гелия из указанной смеси можно уменьшить нагрузку на адсорберы-поглотители неона. Для этой цели предлагалось использовать метод фазовой сепарации Ые при Р = 2,5... 3,0 МПа и Т < 28 К. Одним из возможных способов понижения температуры фазового равновесия является переохлаждение потока в вихревой трубе. Сложность практического воплощения
\/о.
\/л/„
71
мм
72
пи
БО
ВТ г
2.
_) ХМ
ЧХР-* дв
ю2
РК
VN
71
72
БО
У
вкг Д
хм
дв
ш2
РК
71
72
ДВ
БО
[3
3 ш
ДЛ X
1.02
РК
Рис.2. Схемы вихревого (я) и волнового (б) охладителей в составе ВРУ высокого давления КжКАж-0,25; упрощенный вариант штатной схемы (в) [16]:
К — компрессор; Т1, Т2 — рекуперативные теплообменники; ХМ — холодильная машина; ДВ — дроссельный вентиль; РК — ректификационная колонна; Д — детандер; БО — блок комплексной очистки воздуха; ВКГ — волновой крпогенератор; ВТ — вихревая труба; ЬОг — жидкий кислород; УКг и УОг — газообразные азот и кислород
Рис. 3. Безмашинные аппараты в составе криогенных гелиевых установок:
а - вихревые сепаратор (ВС) и эжектор (ВЭ) в установке на смеси гелий-фреон смеси [12]; б — низкотемпературный волновой генератор акустической энергии (ВКГ) в схеме рефрижератора [17] с детандером (Д); в — включение ВКГ в схему ожижителя КГУ-250/4,5 [18]; К — компрессоры; ДВ1, ДВ2 — дроссели; Т1-Т7 — теплообменники; ТН — тепловая нагрузка
такой установки заключалась в малых размерах проточной части и отсутствии информации об оптимальной геометрии подобных аппаратов. Созданию низкотемпературного блока предшествовали предварительные испытания вихревых камер при повышенных температурах [20], а также совершенствование технологии изготовления спиральных улиток [21]. Необходимость экспериментальной проверки работоспособности маломасштабных вихревых камер продиктована предположением некоторых авторов об "угасании" вихревого разделения в трубах диаметром менее 2 мм из-за отрицательного влияния пограничного слоя. Современный уровень теоретических работ в области вихревого эффекта не позволяет прогнозировать охлаждающий и се-парационный эффекты в столь малых аппаратах.
Упрощенная схема экспериментальной установки приведена на рис.5. В качестве исходного продукта использована неоногелиевая смесь с типовым составом у^е = 18... 20 %. Для эффективной ра-
Рис. 4. Вихревые трубы для разделения двухфазных газовых смесей:
а — углеводородной [19]; б — неоногелиевой при Т и 30 К [7]; У — улитка вихревой трубы; СК — сборник конденсата; С — ввод сжатой смеси; Х и Г — выходы холодного и горячего потоков; К — выход конденсата
боты фазового сепаратора давление в нем поддерживалось на уровне 1,2... 1,6 МПа, а на всасывающей линии компрессора МК1 — 0,15.. .0,2 МПа. Таким образом, располагаемое отношение давлений (без учета эжекторов-смесителей С1 и С2) составляло 6... 11. В качестве первой ступени использована микромасштабная вихревая камера с рекордно малым диаметром В\ = 1,5 мм! Во второй ступени — 02 = 2 мм. Небольшие размеры проточной части были обусловлены весьма малыми критическими сечениями сопловых вводов = 0,1 и = 0,3 мм2 [7]. Изготовление таких деталей было связано со значительными технологическими сложностями. Задачу удалось решить на пределе возможности современных прецизионных искрорезных станков с ЧПУ. Доводка деталей выполнялась под микроскопом с помощью специально созданных суппортов.
Техническая характеристика двухступенчатой газовой холодильной машины Стирлинга КГМ100/20 (производитель — ПО "Гелиймаш", Москва)
Холодопроизводительность, Вт:
ступень I (70 К)..........................................................................................................240
ступень II (20 К)........................................................................................................70
Мощность, кВт..............................................................................................................22
Давление в цикле, МПа:
минимальное..............................................................................................................2
максимальное............................................................................................................4,4
Рис. 5. Схема установки для компонентного разделения неоногелиевой смеси при Т = 25... 28 К с использованием вихревых труб [7]:
РИ, PNe pi PHe — рампы исходной смеси, неонового концентрата и гелия соответственно; Ru — редуктор; T01-T03 — теплообменники-рекуператоры; КГМ — двухступенчатая газовая криогенная машина марки КГМ-100/20; 1ст и Пет — рефрижераторные головки первой и второй ступеней КГМ ( Т\ = 30 К; Тц = 80 К); ГС — газгольдер сухой; КГ — криостат гелиевый марки КГ-60/300; ФС — фазовый сепаратор; К — дополнительный конденсатор; В1 и В2 — вихревые трубы с ловушками конденсата; С1-С2 — эжекторы-смесители; БВ — вентиль баланса расходов; МК1 и МК2 — мембранные компрессоры; У0-У4 — точки газового анализа
Для ограничения расходов горячих потоков в аппаратах В1 и В2 служат калиброванные отверстия. Кинетическая энергия истекающих через них потоков использовалась в эжекторах-смесителях С1 и С2. Такое решение позволило несколько упростить схему низкотемпературного блока, но потребовало нескольких последовательных подгонок сечения сопловых деталей.
Представленная на рис. 5 установка работает следующим образом. Исходная смесь с содержанием неона у^е ^
20 % подается из
рампы РИ в установку. Давление стабилизируется редуктором ЛИ на уровне Р = 2,0... 2,5 МПа. Основная часть прямого потока (примерно 80... 90% общего расхода) направляется в блок теплообменников и рефрижераторов КГМ (ТО1^1ст^ТО2^Пст), где охлаждается до Т « 30 К и подается в виде двухфазной смеси в сепаратор ФС. Непосредственно над точкой ввода размещен вход в канал "+" указателя уровня жидкости сепаратора Нс. За счет этого предотвращается попадание неона в трубку (она оказывается заполненной на всем протяжении гелием) и формируется корректный сигнал АР = (Р + — Р-) ^ кс.
Меньшая доля исходной смеси через регулятор расхода БВ поступает в теплообменник ТО3 и также входит в фазовый конденсатор ФС. За счет конденсации неона в нижней части ФС концентрация № в паровой фазе падает с у0 = 18... 20 % до уФС = 12... 13 % (диаграмма, рис. 6, а). Частично обогащенный гелий уФС с параметрами
Рис. 6. Концентрации потоков в диаграмме Р—у (а); низкотемпературный блок экспериментального стенда (б) (обозначения - см. рис. 5)
Рис. 7. Блок вихревых труб и конденсатора К (а, см. рис. 6); улитка вихревой трубы В1 (б) при увеличении в 15 раз (видна шероховатость металла и несовершенство канала — отклонение от спирали Архимеда)
Т = 27,5 K и Р = 1,5 МПа проходит через дополнительный конденсатор, в котором температура снижается на один градус, а содержание неона — до ук =9 ... 10 %. Отвод теплоты конденсации осуществляется к холодному потоку ТХ2 =25 K вихревой трубы (рис. 7) В2 при недорекуперации в аппарате К (Д Т = 1... 1,5 K).
Дальнейшее обогащение гелиевого концентрата продолжается в вихревых ступенях В1 и В2 за счет отбора из ловушек концентрированного неона. В точках У1 и У2 доля неона достигала 95 %.
Показанные на диаграмме (см. рис. 6, а) изменения концентраций можно условно разделить на три фрагмента: ДКГМ — "заслуга" внешнего контура охлаждения — газовой криогенной машины (фазового сепаратора); ДХК — вклад холодильной части вихревого эффекта (конденсатор К); ДС — сепарационная составляющая обеих вихревых труб В1-В2 (ловушки конденсата).
После расширения в вихревых трубах поток гелия с содержанием неона не более 8 % отбирается с постоянным расходом V = 8... ... 10 нм3/ч через теплообменники ТО1 и ТО2 во всасывающую линию компрессора МК1. Кубовая фракция фазового сепаратора с содержанием гелия менее 2 % и отдувки ловушек вихревых сепараторов У1 и У2 собираются в газгольдере и периодически скачиваются компрессором МК2 в баллоны для переработки в ректификационной установке [6].
Влияние обогащения гелия на степень извлечения неона в ректификационной установке определялось по формуле [7]
п _1 yNe (1 — yNe )
CNe = 1--— • JZ-¡рт, (1)
yNe (1 - yNe)
где yNe и yNe — концентрация неона в исходной смеси и гелиевом продукте.
Анализ опытных данных показал, что за счет совместного использования газовой машины и каскада вихревых труб удается концентрацию неона в смеси снижать до 9... 10%, а коэффициент извлечения увеличивать до 97%.
В ходе первой серии испытаний подтвержден приемлемый уровень эффективности миниатюрных вихревых аппаратов, адиабатный КПД которых составлял 6. . . 10 % (первый показатель характерен для В1, а второй — для В2). Выявлена неустойчивая работа второй ступени из-за кристаллизации неона в диафрагме. Этот факт также подтверждался показаниями датчиков температуры холодного потока на выходе В2 (ТХ2 = 24,6 К). Для исключения этого неблагоприятного явления требовался постоянный отбор неона из ловушек У\ и У2 с концентрацией не более 95 %.
Степень извлечения неона в зависимости от способа обогащения гелия
при уке = 77 %
<, % Ске, %
Фазовый сепаратор гелия в составе установки [6, 7] ... уИ = 18... 20 92,5 Фазовый сепаратор гелия после КГМ (ФС, см. рис. 5).. уФС = 12... 13 95,9 Дополнительный конденсатор (К, см. рис. 5) с вихревым
охладителем.......................................... уК = 9... 10 96,7
Гелиевый концентрат после смесителя С1............. у3 = 8, 5
97,2
Ловушки конденсата в вихревых трубах В1 и В2....... у1(у2) = 90... 95 '
Ранее было отмечено, что ступенчатое включение газодинамических охладителей дает возможность снизить локальную степень расширения в отдельных каскадах. При работе с маломасштабными устройствами выявлен еще один важный довод в пользу ступенчатого расширения. Как известно [7, 22], расходные характеристики последовательно включенных расширительных устройств определяются сечением соплового ввода первого каскада. На входе во вторую и последующие ступени давление падает, а их размеры увеличиваются. При этом качество (точность и чистота поверхности) изготовления улиток будет выше. Следствием такого шага является повышение энергетической эффективности нижних ступеней.
Проведенные исследования подтверждают перспективность использования газодинамических охладителей-сепараторов. Можно предположить, что при переходе к промышленным установкам с расходом перерабатываемого продукта более 40 нм3/ч эффективность охлаждающей и сепарационной функций вихревого эффекта будут увеличены.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. БондаренкоВ. Л., ЛосяковН. П. Волновые криогенераторы в технологиях извлечения редких газов // Технические газы. - 2006. - № 5. - С. 24-31.
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
А з а р о в А. И., Ж у к о в Б. П., С и м о н е н к о Ю. М. Исследование акустических характеристик вихревого охладителя воздуха // Холодильная техника и технология. - 1982. - Вып. 35. - С. 76-80.
А.с. СССР № 330590. Способ разделения газовой смеси. МКИ В 01 d 15/08. К о з л о в В. Н., Щ е к и н Д. А. Струйный конденсатор СО2 в воздухораздели-тельной установке // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. Спец. выпуск "Криогенная и холодильная техника, технология". - 1995. - № 2. -С. 38-41.
А.с. СССР № 328928. Способ регенерации адсорбционных блоков осушки газа. МКИ В 01 d 53/04.
Пути повышения коэффициента извлечения неона при разделении неоноге-лиевой смеси / А.М. Архаров, В.Л. Бондаренко, С.Н. Пуртов и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. Спец. выпуск "Криогенная и холодильная техника". - 1998. - С. 44-52.
ArkharovA. M., BondarenkoV. L.,S imonenko Yu. M. Increasing
of separator efficiency of neon-helium mixture by using the unmachine devices //
Proc. of 5 Int. Conf. Cryogenics'98. - Praha. - 1998. - P. 70-73.
А.с. СССР № 366323. МКИ F 25 j 3/02. Способ разделения сжатых газовых
смесей.
P a t e n t No 1952281 USA. Method and apparatus for obtaining from fluid under pressure two currents of fluids different temperatures. А.с. СССР № 1583143. Сепаратор. МКИ В 01 D 45/00.
А.с. СССР № 1255825. Вихревая труба и способ стабилизации режима работы вихревой трубы. МКИ3 F 25 В 9/02.
А.с. СССР № 1449791. Способ работы криогенной установки. МКИ3 F 25 В 9/02.
А.с. СССР № 1451484. Криогенная установка. МКИ3 F 25 В 9/02. Вихревые аппараты / А.Д. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижиков // М.: Машиностроение, 1985. - 252 с.
А. с. СССР № 638815. Способ разделения воздуха в вихревой трубе. МКИ F 25 B 9/02.
Шадрина В.Ю. Анализ схем холодильного цикла с турбодетандером и вихревой трубой малых установок для получения жидких и газообразных продуктов разделения воздуха // Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана "Криогенная техника и кондиционирование". - 1984. - № 430. - С. 23-30. А.с. СССР № 1086318. Криогенная установка. МКИ В 9/02. Wave cryogenerators applied in technologies of rare gas separation / V.L. Bondarenko, A.M. Archarov, Yu.M. Simonenko et al. // Frio-Calor Aire Acondicinado. - Julio/Agosto 2008. - № 405. - P. 3-11.
Исследование работы трехпоточной вихревой трубы на нефтяном газе / А.А. Чернов, Е.М. Брещенко, Г.Н. Бобровников и др. // В кн.: Переработка нефтяных газов. - М.: ВНИИОЭНГ, 1981. - Вып. 7. - С. 115-123. Кузьмин А. А., Муратов С. О., С и м о н е н к о Ю. М. Маломасштабные вихревые трубы // Труды IV Всесоюз. науч.-техн. конф. по исследованию вихревого эффекта и его применению в технике. - Куйбышев: КуАИ, 1984. -С. 63-65.
А.с. СССР № 1252622. Способ изготовления улитки вихревой трубы. МКИ F 25 В 9/02.
Р и п с С. М. Основы термодинамики и теплотехники. - М.: Высш. шк., 1967. - 347 с.
Статья поступила в редакцию 1.07.2010
