А.В.Полупан,
Кандидат технических наук, Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского, Санкт-Петербург
Ресурсосберегающая технология при производстве
параводорода
28 Процесс орто-параконверсии нормального во-
дорода является обязательным этапом производства жидкого водорода, предназначенного для транспортировки и длительного хранения.
Существуют две модификации водорода: ортово-дород и параводород. Они различаются направлением вращения ядер, т.е. ядерными спинами. У ортоводорода ядерные спины имеют одинаковое направление, у параводорода — противоположное. При обычных температурах водород представляет собой смесь 75% ортоводорода и 25% параводорода. Такой водород называется нормальным. С понижением температуры доля параводорода в равновесных условиях увеличивается. При равновесии в жидком водороде содержится 98,8% параводорода и 0,2% ортоводорода, т.е. равновесный жидкий водород практически является параводородом. Процесс превращения ортоводорода в параводород называется орто-параконверсией.
В газообразном состоянии конверсия возможна только в присутствии катализаторов. В жидкой фазе она протекает самопроизвольно и достаточно медленно. Например, жидкий нормальный водород через 100 часов после начала самопроизвольной конверсии содержит 59,5% параводорода, а через 1000 часов — 92% параводорода.
Процесс орто-параконверсии является экзотермическим. При температуре кипения водорода Т = 20,4 К удельная теплота конверсии qк составляет 525 кДж на 1 кг нормального водорода и превышает теплоту испарения, равную 447 кДж/кг. Для уменьшения потерь жидкого водорода при хранении проводится ускоренная конверсия водорода в присутствии катализаторов на этапе ожижения. Для процесса ожижения водорода теплота конверсии является балластной, поскольку она отводится непосредственно в поток водорода, и в результате производительность ожижителя существенно снижается. По данным источника [1] при получении жидкого параводорода производительность ожижителей уменьшается примерно на 3040% по сравнению со случаем получения нормального водорода.
Общее количество теплоты 0к, выделяющейся при конверсии от нормального состояния до равновесного, может оказаться весьма значительным. В связи с использованием жидкого водорода в качестве ракетного топлива в 60-х годах разработаны и построены промышленные установки по получению
жидкого параводорода. В частности, в США построено несколько крупных заводов, которые имеют производительность до 60 т в сутки. Обеспечение многоразовой транспортной космической системы "Space Shuttle" жидким водородом требует производства нескольких тысяч кубометров параводорода для каждого запуска в космос. На космодроме Байконур пристартовые хранилища жидкого водорода ракетно-космического комплекса "Энергия" представляют собой 4 сосуда емкостью 1400 м3 жидкого водорода каждый. При производстве таких больших количеств жидкого параводорода, рассчитанных не только на использование по назначению, но и на потери при транспортировке, суммарное значение выделяющейся теплоты конверсии составляет значительную величину. К примеру, для объема 5000 м3 суммарная теплота конверсии составляет
Qk =pqk • 5000 = 70,8 • 5,25 •
•105 • 5000 = 1,8585 -1011 Дж.
В данном выражении р = 70,8 кг/м3 — плотность жидкого водорода.
Для уменьшения потерь жидкого водорода на испарение в процессе конверсии предлагается усовершенствованная технология производства жидкого параводорода. Сущность этой технологии заключается в том, что энергия, высвобождаемая в процессе конверсии, преобразуется в работу и передается за пределы потока ожижаемого водорода. Для реализации способа организуется прямой термодинамический цикл, в котором приемником тепла является криогенная жидкость в емкости хранения [2]. Источником тепла является конвертор, в котором производится каталитическая или самопроизвольная конверсия нормального водорода.
На Рис. 1 и 2 изображены схемы устройств, которые позволяют реализовать предлагаемый термодинамический цикл [3].
Установка, схема которой представлена на Рис.1, включает емкость 1 жидкого нормального водорода, насос 2, теплообменник-регенератор 3, емкость 4 с конвертором 5, детандер 6, дроссель 7, емкость для сбора жидкого параводорода 8, вентиль выдачи жидкого параводорода 9, электрогенератор 10. Работает установка следующим образом. Жидкий нормальный водород из емкости 1 подается насосом 2 в теплообменник-регенератор 3, где
Рис. 1.
Рис. 1 и 2. Схемы устройств, позволяющих реализовать предлагаемый термодинамический цикл [3].
Рис. 2.
подогревается встречным потоком водорода. Затем водород подается в емкость 4, где в конверторе 5 подвергается каталитической орто-параконверсии. При этом жидкая фаза водорода испаряется за счет выделяемой теплоты конверсии. Газообразный па-раводород из емкости 4 подается последовательно в детандер 6, где производится расширение параводо-рода, в теплообменник-регенератор 3, где производится охлаждение параводорода встречным потоком жидкого нормального водорода, и в дроссель 7, где производится дросселирование параводорода в область жидкой фазы. Полученная на детандере 6 механическая работа используется частью для привода насоса 2, а частью преобразуется в электроэнергию в электрогенераторе 10.
Установка, схема которой представлена на Рис.2, включает емкость 1 жидкого гелия, насос 2, теплообменник-регенератор 3, емкость с жидким водородом 4, в которой размещен теплообменник-нагреватель гелия 5, детандер 6, дроссель 7, вентиль выдачи жидкого параводорода 8, электрогенератор 9. Работает установка следующим образом. Гелий из емкости 1 подается насосом 2 в теплообменник-регенератор 3, где подогревается встречным потоком гелия. Затем гелий подается в емкость 4, где происходит самопроизвольная орто-параконверсии жидкого водорода. Теплота конверсии передается гелию теплообменнике-нагревателе 5. При этом гелий испаряется и подогревается за счет выделяемой теплоты конверсии. Газообразный гелий из нагревателя 5 подается последовательно в детандер 6, где производится расширение гелия, в теплообменник-регенератор 3, где производится охлаждение гелия встречным потоком жидкого гелия, и в дроссель 7, где производится дросселирование гелия в область жидкой фазы.
Рабочим телом в данном термодинамическом цикле выступает гелий. Рабочим телом в термодинамическом цикле, реализуемом установкой по схеме на Рис.1, выступает водород.
На Рис. 3 изображен предлагаемый термодинамический цикл в Т — S координатах. Цикл включает следующие термодинамические процессы:
1 — 2 — сжатие рабочего тела насосом.
2 — 3 — изобарный подвод тепла в теплообменнике-регенераторе и конверторе (или теплообменнике-нагревателе).
3 — 4 — политропное расширение рабочего тела в детандере.
4 — 5 — изобарный отвод тепла от расширенного рабочего тела в теплообменнике-регенераторе.
5 — 6 — изоэнтальпное расширение рабочего тела в дросселе.
Для упрощения процессы 2 — 3 и 4 — 5 изображены без учета потерь давления в теплообменниках.
Удельная полезная работа цикла определяется выражением: 1п = 1д — I ,
где 1д — удельная работа расширения рабочего тела в детандере, Дж/кг;
I — удельная работа сжатия рабочего тела в насосе, Дж/кг.
Удельная работа расширения рабочего тела в детандере:
к — 1
-ЯТ
1—п
к—1 Л
к
Пд
где
k — показатель адиабаты; Я — газовая постоянная, кДж/(кг-К); Т3 — температура рабочего тела в начале расширения на детандере, К;
П — степень понижения давления на детандере; Пд — изэнтропный КПД детандера. Удельная работа сжатия рабочего тела в насосе:
I =
Рг — Р1 РПд
где р2, р1 — давления в конце и начале сжатия в насосе, Па;
р — плотность рабочего тела, кг/м3; Пн — изэнтропный КПД насоса. На Рис. 4 приведены расчетные зависимости удельной полезной работы цикла от степени понижения давления на детандере для разных значений максимального давления в цикле. Расчет производился для принципиальной схемы установки, представленной на Рис. 1 при следующих исходных данных: k = 1,41; Я = 4124 кДж/(кг-К); Т3 = 65 К; Цн = 0,8; р1 = 0,1 МПа; р = 70,8 кг/м3; Цн = 0,8.
Самая верхняя кривая соответствует давлению р2 = 2,5 МПа, остальные кривые — давлениям 5, 10 и 20 МПа в порядке их расположения на рисунке сверху вниз.
I
E-mail: redactor@hydrogen.ru, http://www.hydrogen.ru
30
ГС
со
X
со <D
с; о с
(С
CK s
é, н cu о
ç[VD > CÖ Q.
Зависисмости удельной полезной работы цикла от степени понижения давления на детандере
. 400
300
200
100
о
о
10
20
30
40
50
Степень понижения давления
Рис. 4. Расчетные зависимости удельной полезной работы цикла от степени понижения давления на детандере для разных значений максимального давления в цикле.
Рис. 3. Предлагаемый термодинамический цикл в Т - 5 координатах.
3 — 4' — политропное расширение рабочего тела в детандере до давления выше, чем р4 .
4' — 5' — изобарный отвод тепла от расширенного рабочего тела в теплообменнике-регенераторе при давлении выше, чем р4 .
5' — 6' — изоэнтальпное расширение рабочего тела в дросселе в области влажного пара с более высоким содержанием жидкой фазы х, чем в точке 6.
Существенное влияние на характеристики цикла оказывают также наибольшая температура цикла, термодинамическое совершенство детандера и насоса. Таким образом, выбор параметров термодинамического цикла является задачей многопараметрической оптимизации при условии определения критерия оптимизации и совокупности ограничений. Критериями оптимизации могут являться либо получение наименьших удельных затрат энергии на производство параводорода, либо достижение наибольшей производительности установки получения жидкого параводорода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Следует отметить, что при выборе параметров термодинамического цикла важное значение имеет распределение перепадов давления между детандером и дросселем. Чем выше степень понижения давления на детандере, тем выше значение удельной полезной работы цикла. С другой стороны, зависимость степени ожижения водорода х от перепада давления на дросселе имеет оптимум в области перепада порядка 13 МПа. Чем ближе к оптимальному перепад да
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.