Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема12. ХОЛОДОСНАБЖЕНИЕ
12.1. Потребители искусственного холода на промпредприятиях.
12.2. Централизованный и децентрализованный способы производства
искусственного холода.
12.3. Системы непосредственного охлаждения.
12.4. Системы охлаждения с промежуточным хладоносителем.
12.1. Потребители искусственного холода на промпредприятиях
Одними из основных потребителей искусственного холода являются нефтяная, газовая и химическая промышленности. При этом потребность в холоде настолько велика, что расход энергии на выработку холода в некоторых случаях начинает сказываться на энергетическом балансе районов расположе ния промышленных объектов
Вследствие особенностей технологии в этих отраслях к используемому холодильному оборудованию предъявляют ряд требований. Холодильные машины должны иметь:
1.большую холодопроизводительность,
2.высокую степень надежности,
3.достаточно большой ресурс работы;
4.допускать применение дешевых холодильных агентов (основные или побочные продукты на данном комплексе);
5. обеспечивать возможность использования энергетических ресурсов, которыми располагает производство;
6.быть максимально автоматизированными.
Наиболее полно перечисленным требованиям отвечают парокомпрессионные холодильные машины с центробежными и винтовыми компрессорами, а также абсорбционные холодильные машины, которые используют в качестве источников энергии теплоту технологических процессов, вторичные энергетические ресурсы или обратную воду теплоцентралей.
Например, в газовой промышленности широко применяют холод при подготовке газа к транспортировке и в процессе переработки нефтяных и природных газов газоконденсатных месторождений. Обработка газа перед транспортированием методом низкотемпературной сепарации и снижение температуры точки росы газа ниже минимальной температуры в газопроводе позволяют исключить образование в нем жидкости. Основное холодильное оборудование в этом случае - центробежные агрегаты, работающие на пропане, реже - на аммиаке.
Машиностроение и металлургия также являются потребителями искусственного холода. При низкотемпературной обработке сталей требуется осуществлять охлаждение до температур -ЗО...-12О°С. В верхнем интервале температур обычно используют парокомпрессионные машины двухступенчатого сжатия (до -60°С) и каскадные машины (до -80°С), работающие на холодильные камеры или шкафы. В нижнем интервале температур (до -120°С) находит широкое применение охлаждение с помощью жидкого азота.
Восстановление размеров изношенных измерительных инструментов (калибров, скоб) путем перевода остаточного аустенита в мартенсит при принудительном охлаждении позволяет удлинить срок их эксплуатации. При выполнении неподвижных посадок с помощью охлаждения охватываемой детали в ряде случаев удается добиться лучшего качества продукции и повышения производительности труда, чем при запрессовке с нагревом
охватывающей детали.
Гибка труб с замороженной в них водой вместо обычно практикуемой (заполнение песком, канифолью и др.) дает хорошие результаты по овальности, радиусу загиба и чистоте внутренней поверхности труб.
В системах воздухоснабжения машиностроительных заводов для осушки сжатого воздуха применяется охлаждение его в специальных холодильных установках; крупными потребителями холода являются установки кондиционирования воздуха, холодильные испытательные камеры.
Широко используется холод в отраслях пищевой промышленности, сельского хозяйства, торговли и общественного питания. В заключение можно упомянуть такие сферы применения искусственного холода, как строительство, опреснение соленой воды, производство сухого и водного льда, искусственные ледяные катки, медицина.
12.2. Централизованный и децентрализованный способы производства
искусственного холода
Холодильная установка (станция) представляет собой комплекс машин и аппаратов, используемых для получения и стабилизации в охлаждаемых объектах температур ниже, чем в окружающей среде. Установка состоит из одной или нескольких холодильных машин, оборудования для отвода теплоты в окружающую среду, системы распределения и использования холода.
способы производства искусственного холода:
Централизованный способ производства искусственного холода предполагает применение единого комплекса машин и аппаратов. Установка может включать отдельные агрегатированные холодильные машины или представлять комбинацию холодильного оборудования, имеющего общие или взаимозаменяемые элементы, например блок конденсаторов, ресиверы, коммуникации рабочего тела холодильной машины. В этом случае экономически оправданным является использование системы охлаждения различных объектов промежуточным хладоносителем. Изолированность контура рабочего тела холодильной машины допускает применение аммиака как наиболее дешевого и термодинамически эффективного рабочего тела.
Для отвода теплоты в окружающую среду обычно применяется система оборотного водоснабжения, которая может быть общей с системой водоснабжения промышленного предприятия. В целом централизованный способ производства холода обеспечивает высокую степень надежности при меньшем резерве оборудования и меньшей численности обслуживающего персонала.
При небольших тепловых нагрузках, разбросанности объектов охлаждения, а также при непосредственном включении элементов холодильного цикла в схему основного производства целесообразно использование децентрализованного способа производства холода с непосредственным охлаждением объектов рабочим телом холодильной машины. При этом несколько снижаются энергетические затраты.
В последние годы разрабатываются комбинированные системы холодо- и теплоснабжения, состоящие из установок, которые могут работать как по холодильному, так и теплонасосному циклам. Опыт применения таких систем для теплохладоснабжения зданий при использовании теплоты низкопотенциальных вторичных энергетических ресурсов показал их высокую экономичность.
12.3. Системы непосредственного охлаждения
В этих системах теплота от объектов отводится непосредственно холодильным агентом, протекающим в приборах охлаждения, располагаемых внутри объектов охлаждения и выполняющих одновременно роль испарителя холодильной машины. При этом агрегатное состояние холодильного агента в приборах охлаждения изменяется (он кипит).
Системы непосредственного охлаждения классифицируются на:
1. безнасосные и насосные - циркуляционные.
Безнасосные системы охлаждения (по способу подачи жидкого холодильного агента в охлаждающие приборы) подразделяются на прямоточные и с отделителем жидкости.
В прямоточных системах жидкий холодильный агент подается под действием разности давлений конденсации и кипения. Жидкий хладоагент (рис. 12.1) по трубопроводу 1 из конденсатора поступает к терморегулирующим вентилям 2, где дросселируется и направляется в охлаждающие приборы 3 (испарители). Чувствительный патрон терморегулирующих вентилей укрепляется на всасывающем трубопроводе 4, по которому пар поступает к компрессору. Терморегулирующий вентиль автоматически изменяет подачу жидкости в зависимости от степени перегрева пара на входе в компрессор, обеспечивая тем самым точное дозирование подаваемой жидкости в каждый прибор охлаждения.
В системах охлаждения с отделителем жидкости используется напор Н, создаваемый столбом жидкости (рис. 12.2). Холодильный агент по трубопроводу 1 поступает к регулирующему вентилю 2 и далее направляется в отделитель жидкости 3. Сухой насыщенный пар отсасывается компрессором через трубопровод 4, а жидкий холодильный агент направляется в приборы охлаждения 5. В этих схемах не обеспечивается равномерная и надежная подача жидкости в охлаждающие приборы. Во второй схеме большое влияние на температуру кипения оказывает высота столба жидкости. Безнасосные системы не исключают возможности возникновения влажного хода и гидравлических ударов в компрессоре, имеют большую вместимость по холодильному агенту и используются на холодильных установках малой и средней холодопроизводительности.
Рисунок 12.1- Прямоточная система непосредственного охлаждения
Рисунок 12.2- Непосредственная система охлаждения с отделителем жидкости
Рисунок 12.3-Насосно-циркуляционная система охлаждения
Насосно-циркуляционные системы применяются преимущественно на крупных холодильных установках. В этих системах жидкий холодильный агентподается в приборы охлаждения под давлением, создаваемым насосом. На рис. 12.3 изображена схема с нижней подачей холодильного агента в приборы охлаждения 5 и вертикальным циркуляционным ресивером 3. Жидкий холодильный агент из конденсатора или ресивера по трубопроводу 1 подается в
циркуляционный ресивер 3 через регулирующий вентиль 2. Образовавшийся при дросселировании пар отделяется в ресивере и через трубопровод 4 отсасывается компрессором. Жидкий холодильный агент скапливается в нижней части ресивера и направляется к насосу 6, который подает жидкий холодильный агент в приборы охлаждения 5.
Насос подбирают по производительности, обеспечивающей в приборах кратность циркуляции 5-6. Это упрощает распределение жидкости по приборам и увеличивает интенсивность теплообмена. Важным является контроль за уровнем жидкости в ресивере: недостаток жидкости делает неустойчивой работу насоса, а ее избыток может привести к влажному ходу и гидравлическим ударам в компрессоре. Для контроля ресивер снабжают визуальными и дистанционными указателями уровня.
По сравнению с безнасосными, в насосно-циркуляционных системах более простое распределение жидкости между приборами охлаждения, меньшая загрязненность поверхностей теплообмена маслом, меньшая вместимость системы по холодильному агенту, большая безопасность работы и т.п.
12.4. Системы охлаждения с промежуточным хладоносителем
В этих системах теплота от объектов отводится промежуточной средой -жидким хладоносителем, протекающим в приборах охлаждения. Здесь он несколько нагревается без изменения агрегатного состояния, а в испарителе, где кипит холодильный агент, охлаждается. Циркуляция хладоносителя в приборах охлаждения осуществляется центробежными насосами. Такие системы охлаждения часто называют рассольными, так как в качестве хладоносителя чаще всего применяют рассол - водный раствор соли [10].
Системы с промежуточным хладоносителем делят на закрытые и открытые.
Закрытые системы охлаждения (рис. 12.4) получили наибольшее распространение. Заполнение хладоносителем обеспечивается установкой в самой верхней части системы расширительного бака 8 достаточной вместимости. Жидкий хладоагент 2 подается в испаритель 3, образовавшийся пар 4 отсасывается компрессором. Насос 1 подает хладоноситель в испаритель, где он охлаждается, и затем в приборы охлаждения 5; подача регулируется задвижками 7. Избыточный хладоноситель 9 выпускается в сливной бак. Для удаления воздуха из контура хладоносителя служат вентили 6.
Преимуществами схемы являются сравнительно небольшой расход энергии на привод насоса, малая коррозия оборудования, простота отделения воздуха, значительная часть которого удаляется через расширительный сосуд. Недостатком закрытой схемы является возможность замерзания хладоносителя в испарителе, которая возникает при недостаточной концентрации соли в растворе. Такая опасность возникает также при остановке насосов, закупорке труб испарителя загрязнениями.
Рисунок 12.4 - Закрытая система охлаждения
Рисунок 12.5- Схема открытой системы охлаждения
Схема открытой системы охлаждения приведена на рис. 12.5. Охлаждающие секции 7 помещены в открытый бак испарителя 6. Отсюда хладоноситель забирается с помощью насоса 1 и подается в нижнюю часть приборов охлаждения 4. Сливу хладоносителя в испаритель по нагнетательному трубопроводу препятствует обратный клапан 2. Воздух из системы удаляется с помощью вентилей 5. При ремонте нагнетательной линии или приборов охлаждения хладоноситель из них выпускают через задвижку 3 в испаритель. При необходимости освобождения бака испарителя хладоноситель через задвижку 8 удаляется в сливной бак.
Недостатком системы является использование открытого для воздуха оборудования (приборов охлаждения или испарителей), из-за чего отмечаются повышенная коррозия металла и деконцентрация рассолов.
12.5. Способы отвода теплоты от потребителей холода
Отвод теплоты от потребителей холода может производиться контактным или бесконтактным способом [10].
При контактном способе отвода теплоты объект погружается в охлаждающую среду или ею орошается. При этом охлаждающая среда может изменять свое агрегатное состояние (кипеть), если применяют азот, хладоны. Теплообмен между объектом и охлаждающей средой происходит конвективным путем и характеризуется высокой интенсивностью, малой продолжительностью процесса, небольшими размерами оборудования при его большой производительности, потребностью в малых площадях при установке оборудования. Недостатком способа является возможность ухудшения качества продукта при непосредственном контакте с некоторыми средами.
В системах бесконтактного охлаждения охлаждение объектов происходит через разделяющую их стенку, а также способом передачи теплоты от охлаждаемых объектов к поверхности теплообмена через подвижную промежуточную среду.
В зависимости от интенсивности циркуляции среды различают систему батарейного охлаждения, воздушную систему и смешанную систему охлаждения.
При батарейном охлаждении (рис. 12.6) теплота отводится из камеры 1, где находится охлаждаемый объект 2, с помощью батарей 3 (пристенных, потолочных) при свободном движении воздуха у батарей. В последнее время батарейную систему охлаждения вытесняет воздушная система из-за большой неравномерности полей влажности воздуха и температуры в камере, а также недостаточной интенсивности теплообмена между воздухом и объектом, воздухом и поверхностью приборов охлаждения.
Рис
12.6
Рис. 12.7
В воздушных системах охлаждения предусматривается наличие организованного движения воздуха в охлаждаемом помещении. На рис. 12.7 изображена схема воздушного охлаждения с двухканальным распределением воздуха. Вентилятор 4 отсасывает отепленный воздух из камеры по воздуховоду 1, расположенному под потолком камеры. Проходя через воздухоохладитель 5, воздух охлаждается, осушается и по воздуховоду 6 нагнетается в охлаждаемую камеру. При вентиляции камеры в воздухоохладитель через воздуховод 3 подают наружный воздух, количество которого регулируется шибером 2.
Недостатком воздушных систем являются повышенный расход энергии на привод вентилятора и дополнительная тепловая нагрузка от работающего вентилятора.
Тема 13. СНАБЖЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРОДУКТАМИ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА
В различных отраслях промышленности широко применяются кислород и другие продукты разделения воздуха - азот, неон, криптон, ксенон и аргон [10].
Кислород - активнейший окислитель, что предопределило его широкое использование в черной и цветной металлургии, химической промышленности, ракетно-космической технике, машиностроении, медицине и др.
Производство кислорода начиная с 1950 г. каждые 6-7 лет, удваивается и его ежегодный прирост в течение последних 20 лет составляет 12... 15%. Более 50% кислорода производится и потребляется в черной металлургии, что позволяет интенсифицировать металлургические процессы и улучшить их технико-экономические показатели. Кислород используют также при выплавке цветных металлов - меди, никеля, цинка, свинца.
Жидкий азот благодаря его нетоксичности, инертности и дешевизне широко используется в качестве криоагента. Значительные количества жидкого азота расходуются при холодных опрессовках и испытаниях кислородного, водородного и гелиевого оборудования, а также в термобарокамерах, имитирующих условия космического пространства.
Важная область применения жидкого азота - пищевая промышленность. Быстрое охлаждение и замораживание пищевых продуктов путем разбрызгивания азота и последующее их хранение в обогащенной азотом атмосфере обеспечивают сохранение вкусовых качеств и товарного вида продуктов в течение длительного времени.
Жидкий азот применяется также в сельском хозяйстве и медицине для хранения биопродуктов.
В криогенных системах жидкий азот широко используют для охлаждения промежуточных экранов изоляции оборудования, а также для предварительного охлаждения больших масс металла сверхпроводящих магнитов, кабелей, трансформаторов и т. д.
В ряде технологических процессов используется газообразный азот. В
химической промышленности азот наряду с кислородом служит исходным веществом для производства аммиака, азотной кислоты, метанола, минеральных удобрений и других химических продуктов. Азот применяют также в качестве защитной инертной среды при переработке нефти.
Аргон, неон, криптон, ксенон - инертные газы. Аргон наряду с азотом используется при выплавке специальных сталей и сплавов, в машиностроении -при сварке металлов. Неон, криптон и ксенон находят широкое применение в электроламповой и радиоэлектронной промышленности, а также при проведении исследований в различных отраслях промышленности.
Большинство получаемых при разделении воздуха газов представляют собой криоагенты, т.е. газы с нормальной температурой конденсации в широком интервале температур ниже 120 К. Наиболее экономичные способы их выделения из воздуха (газовой смеси) основаны на низкотемпературных методах - конденсационно-испарительном и в некоторых случаях адсорбционно-десорбционном.
Из конденсационно-испарительных методов в технике низкотемпературного разделения воздуха используется ректификация. Низкотемпературная ректификация отличается от соответствующего высокотемпературного процесса тем, что для ее проведения необходима система криообеспечения.
Назначение этой системы:
отвод теплоты из системы разделения воздуха для компенсации
теплопритоков и, если это необходимо, сжижение продуктов разделения;
обеспечение отвода теплоты в процессе ректификации из конденсатора и
подвода теплоты в испарителе.
Для установок, выдающих газообразные продукты разделения воздуха, такой системой служит рефрижератор; для установок, выдающих какие-либо из продуктов в жидком виде - ожижитель.
Система криообеспечения может работать как самостоятельно, на отдельном криоагенте, не связанном с разделяемой смесью (внешнее криообеспечение), так и совместно с системой разделения на разделяемой смеси и продуктах разделения (внутреннее криообеспечение). Существуют и установки, в которых оба способа сочетаются (комбинированное криообеспечение).
Адсорбционно-десорбционные методы разделения основаны на селективной (избирательной) адсорбции при низких температурах отдельных компонентов воздуха на твердых адсорбентах и последующей их десорбции. Используемые для этой цели адсорбенты (активные угли, цеолиты, силикагели, алюмогели) характеризуются большой удельной поверхностью пор (сотни квадратных метров на грамм) и достаточной механической прочностью, чтобы не истираться при многократных циклах адсорбции и десорбции компонентов.
Адсорбционно-десорбционные методы используются как
вспомогательные для разделения в тех случаях, когда конденсационно-испарительные методы невыгодны или неприменимы. К ним относится разделение ценных газовых смесей, получаемых в относительно малых
количествах (криптон + ксенон, неон + гелий) или таких, в которых содержание одного из компонентов невелико (примеси азота и кислорода в аргоне).
Кроме того, эти методы используются для удаления из воздуха паров воды, диоксида углерода и углеводородов.
В воздухоразделительных установках кроме основных продуктов разделения (кислорода и азота) извлекают и другие составные части воздуха -инертные газы. Все они, кроме аргона, содержатся в воздухе в очень малых концентрациях. В качестве ценных продуктов экономически целесообразно извлечение всех компонентов воздуха, кроме диоксида углерода, гелия и водорода.
Процессы, связанные с ожижением газов, принадлежат к числу весьма энергоемких. Так, например, электрическая мощность установки производительностью 1 т/ч составляет для жидкого кислорода 1200... 1500 кВт. Эксергетический КПД таких процессов не превышает 20...25%, т.е. расход энергии в 4-5 раз больше соответствующей идеальной работы.
Характерной особенностью ожижителей в отличие от рефрижераторов является то, что это всегда открытые термодинамические системы. В таких системах вместо цикла совершается квазицикл. Структура ожижителей газов, независимо от видовых особенностей, включает ступени одинакового на значения.
Ступень подготовки рабочего тела (СПТ) предназначена для изотермического сжатия рабочего тела при температуре окружающей среды. Это сжатие может производиться как в одной ступени компрессора, так и в нескольких последовательно включенных ступенях с промежуточным водяным или воздушным охлаждением.
На ступени предварительного охлаждения (СПО) рабочее тело предварительно охлаждается в регенеративном теплообменнике обратным потоком охлажденного рабочего тела.
Ступень основного охлаждения (СОО) обеспечивает ожижение рабочего тела. Основными вариантами СОО являются два: дроссельный и детандерный. Первый из них отличается высоким удельным расходом электроэнергии и применяется в установках малой производительности. Значительно экономичнее вариант с расширением воздуха в детандере.
Ступень использования охлаждения (СИО) включает сепаратор, позволяющий выводить из установки сжиженное рабочее тело, а пар -возвращать в систему.
Воздухоразделительные установки различают по производительности, давлению и составу продуктов разделения.
Воздухоразделительные установки по производительности делят на три группы:
1) малой производительности (30...300 м3/ч) для получения кислорода чистотой 99,2...99,5%, в которых применяется высокое (10...20 МПа) и среднее (3.. .5 МПа) давления;
2) средней производительности (300...4000 м3/ч) для получения кислорода
чистотой 95...98%, в которых могут применяться либо два давления - высокое,
низкое (0,5...0,8 МПа), либо только низкое давление;
3) большой производительности (более 4000 м3/ч) для получения кислорода
чистотой 95...98%, в которых применяется низкое давление.
В состав воздухоразделительных установок входит следующее оборудование: поршневые и турбинные компрессоры и детандеры, кислородные и аргонные насосы, ректификационные колонны, теплообменники, устройства автоматического регулирования и защиты, блоки очистки воздуха.
Поршневые компрессоры применяются на средние и высокие давления при производительностях менее 7800 м3/ч. Турбокомпрессоры могут быть центробежными и осевыми с большой производительностью по воздуху (8000... 170000 м3/ч) при давлениях 0,6...0,8 МПа и в некоторых случаях до 3,5 МПа. Турбокомпрессоры обеспечивают равномерную подачу воздуха, свободного от примеси масла. Они просты в эксплуатации, имеют меньшие размеры и более высокий КПД по сравнению с поршневыми компрессорами.
Поршневые детандеры применяют для высокого и среднего давлений в установках малой мощности. В области малых расходов поршневые детандеры хорошо регулируются и при прочих равных условиях имеют более высокий КПД, чем турбодетандеры. Однако они менее надежны в работе и имеют худшие массовые и габаритные показатели на единицу производительности. В установках большой производительности и низкого давления наиболее широко применяются одноступенчатые радиальные реактивные турбодетандеры, предложенные академиком П. Л. Капицей.
Для перекачки ожиженных газов применяют насосы, отличающиеся от используемых для перекачки обычных жидкостей тем, что они работают при значительно более низкой температуре среды, в связи с чем возрастают потери при нагнетании. Ожиженные газы обычно имеют температуру, близкую к температуре кипения. Поэтому при уменьшении давления в отдельных элементах насоса (клапанах, патрубках, арматуре) из-за гидравлических потерь возможно возникновение кавитации. Для предотвращения этого явления необходимо в значительной мере охлаждать ожиженные газы перед их поступлением в насос.
В установках для разделения воздуха применяют поршневые (плунжерные) и центробежные насосы. Поршневые насосы используют для газификации жидкости (кислорода и азота), наполнения баллонов до обеспечения давления 40 МПа, для подачи газа в сеть потребителя при давлении до 1,5 МПа. Центробежные насосы применяют для перекачки жидкости между ректификационными колоннами в больших количествах при малых напорах.
Очистка воздуха от водяных паров и диоксида углерода производится в специальных адсорбционных блоках. Для обеспечения непрерывной работы в блоке имеется два адсорбера. В то время как в одном из баллонов происходит адсорбция примесей, второй подвергается регенерации нагретым азотом, в
результате которой происходит десорбция и удаление водяных паров и диоксида углерода. Таким же образом производится осушка кислорода после сжатия его в компрессорах.