Хранение водорода
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЗМА «ГАЗОВОЙ ПРОМЫВКИ» НА АДСОРБЦИОННУЮ ЕМКОСТЬ КРИОНАСОСОВ КРУПНЫХ ВОДОРОДНЫХ СИСТЕМ
А. Л. Гусев Научно-технический центр «ТАТА» а/я 787, г. Саров, Нижегородская область, Россия Телефон: 8 (83130) 6-31-07, факс: 8 (83130) 6-31-07, e-mail: gusev@sar.ru
Затруднения, возникающие при прогреве крио-вакуумных систем водородных энергетических объектов, стимулировали поиски новых путей интенсификации газовыделений. Одним из них является, так называемая, промывка (продувка), или «полоскание», вакуумной системы веществом, которое затем легко удаляется при откачке.
На эффективность механизма промывки (продувки) вакуумных систем каким-либо газом, с целью эвакуации нежелательных паров и газов указывал М. Г. Каганер в работе еще в 1966 году: «Хорошие результаты дает также продувка фреоном-12». Одним из объяснений эффективности промывки является предположение о замещении адсорбированных молекул молекулами промывочного газа. Для промывки вакуумных систем лучше применять газы, имеющие низкую энергию адсорбционной связи, чтобы последующее удаление их с поверхности не вызвало больших осложнений. В докладе изложены испытания криоадсорбционных устройств, функционирующих при температурных уровнях — 90 К, 77 К, 20 К. Для каждой серии экспериментов по регенерации криоадсорбционных устройств использовался принцип адекватности основных технологических операций процесса: отогрев адсорбента, температура воздуха на входе в змеевик — 400 К; давление воздуха 3 кгс/см2, давление в вакуумной полости 1х10-1 мм. рт. ст., время регенерации 48 часов, ваку-умирование проводилось при помощи механического насоса НВЗ-500 с применением азотной ловушки.
Эксперимент проводился для следующих случаев: а) обычная регенерация КСН, захолаживание, определение эксплуатационных характеристик насоса при работе «на себя»; б) регенерация КСН, захолажи-вание адсорбента, полоскание азотом 6 циклов: подача азота из сосуда Дьюара по трубопроводу в рабочую полость насоса до давления 10 Па — отогрев — вакуумирование механическим насосом — захолаживание — подача азота; в) регенерация КСН — захола-живание адсорбента — полоскание фреоном 3 цикла: подача фреона из емкости по трубопроводу в рабочую полость насоса до давления 10 Па — отогрев — ваку-умирование механическим насосом — захолажива-ние — подача фреона (фреон-114).
Для обеспечения чистоты эксперимента после каждой серии циклов а), б), в) на КСН подавалась
воздушная газовая нагрузка до достижения полного насыщения адсорбента и стабилизации давления Рпред на уровне 10 Па с адсорбентом в захоложенном состоянии. Поглотительная способность при давлении 10 Па определялась путем пропускания газовой нагрузки через газосчетчик.
Адсорбционные насосы обычно подвергаются регенерации два раза в год. От качества регенерации зависит предельное рабочее давление в рабочей теплоизоляционной полости криогенного изделия и, следовательно, испаряемость резервуара. В ходе эксплуатации выявлены случаи плохой регенерации адсорбента, а также случаи, когда еще необходимо было проводить рабочий цикл, а адсорбционное устройство уже не позволяло проводить работы из-за накопленной поврежденности.
Главным параметром любого адсорбционного устройства является его адсорбционная емкость — эта характеристика часто является единственным критерием оценки эффективности для криоадсорбцион-ных насосов.
От того, насколько качественно проведен процесс регенерации адсорбционных устройств, зависит выполнение паспортных условий функционирования адсорбционных устройств. В ходе натурных испытаний большого числа крупных адсорбционных устройств был сделан вывод о том, что качество регенерации может быть существенно повышено за счет использования дополнительных методов регенерации. Эти методы были разработаны в ходе опытной эксплуатации криогенных систем и успешно внедрены.
Наиболее оптимальную эффективную быстроту действия крионасоса удается получить при подготовке поверхности адсорбента методом простой регенерации с дополнительным полосканием азотом.
Если адсорбент КСН подготавливается к работе простой регенерацией, то когда крионасос выходит на рабочий режим работы, наблюдается нестабильность в откачивающей способности адсорбента. То же самое наблюдается и после полосканий фреоном, правда, в значительно меньшей степени, чем при обычной регенерации. После регенерации и полосканий адсорбента азотом адсорбент работает с высокой стабильностью во времени.
При использовании дополнительных полосканий азотом (6 раз) удается существенно увеличить погло-
ISJAEE Специальный выпуск (2003)
Второй международный симпозиум «Безопасность и экономика водородного транспорта»
IFSSEHT-2003
100
10
ю к я X
со ^
<и
СО
0,1
^ ^
<$5> ^ ^ ^ ^ ^ й- й- й- ^
<3-
о-
„Ф
# # ^
Давление в ТИП крионасоса, Па
Рис. 1. Зависимость эффективной быстроты действия крионасоса от давления для различных условий обработки поверхностей (ряд 1 — обычная регенерация, ряд 2 — регенерация и промывка азотом, ряд 3 — регенерация и полоскание фреоном-114)
тигельную способность крионасоса и значительно увеличить время межрегламентного периода при адекватных газовых нагрузках.
Низкую эффективность полосканий промывочным газом типа паров фреона можно объяснить тем, что из многих факторов, влияющих на скорость сорбции на цеолитах (поляризующая способность катионов, поляризуемость и полярность сорбируемых молекул, условия эвакуирования и т. д.) наибольшее значение имеет размер молекул по отношению к размеру входного отверстия, причем большее значение имеет форма молекулы, а не ее объем.
Молекулы фреонов позволяют различать молекулярное сито 5А и шабазит, отнесенные к одному классу (тип 3 по классификации Баррера). Молекулы CF3Cl и СЭТ2С1 сорбируются на том и на другом сорбенте. Скорость сорбции молекул с одним и тем же критическим размером уменьшается с увеличением длины молекулы.
На рис. 1 изображен график зависимости быстроты действия крионасоса от давления для различных условий «газовой промывки».
Кинетика сорбции газов и паров на цеолитах имеет ряд особенностей по сравнению с кинетикой сорб-
ции на активных углях, силикагелях и других аналогичных адсорбентах. Главная особенность заключается в высокой чувствительности скорости сорбции к размеру сорбируемых молекул. Это происходит потому, что размеры пор, точнее, размеры входных отверстий в сорбционные полости цеолитов так малы, что почти равны, а в некоторых случаях даже меньше размеров молекул газа. По этой причине коэффициенты диффузии и энергия активации диффузионного процесса для различных веществ колеблются в весьма широких пределах.
Внедрение результатов работы на практике позволит увеличить межрегламентный период встроенных крио-адсорбционных насосов, регенерация которых связана с необходимостью опорожнения криогенной емкости.
Экономический эффект от применения технологии определяется объемом водородного криогенного резервуара, т. к. каждое передавливание водорода в порожний резервуар связано с большими его (до 10 % от общей массы) потерями. Внедрение технологии позволит снизить испаряемость водорода при хранении.
Автор выражает признательность Куприянову В. И. за ценные консультации и Юрьеву Г. В. за помощь в проведении экспериментов.
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.