Криогенная установка своими руками

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 18.09.2024

— Криогеника в прикладном значении — это возможность работать в условиях крайне низких температур. Криогенными считаются температуры в диапазоне от 120 К (-153 °C) до температуры 0,7 K (-272 °C). Несмотря на то что эти технологии не новы, появились они сравнительно недавно. Человечество научилось добывать огонь и высокие температуры примерно 20 тысяч лет назад, а вот холод получать не удавалось. Первые примитивные системы охлаждения появились в древнем Египте, у шумеров, но это случилось гораздо позже. Само же понятие криогенной техники появилось только в конце XIX — начале XX века.

— Что стало началом этого направления? Какие возможности оно открывает?

— Благодаря применению криогенных температур люди научились сжижать газы — то есть переводить газ в жидкое состояние. Долгое время считалось, что такие вещества, как азот, кислород, могут находиться только в газообразном состоянии. Лишь в XIX веке Майкл Фарадей впервые смог осуществить сжижение большинства известных тогда газов, кроме кислорода, водорода, азота, которые научились сжижать гораздо позже.

Сейчас криогенные установки на основе сжиженных газов широко используются в различных отраслях промышленности. Криогеника везде. От очевидного — хранения различных веществ в криогенном состоянии — до специализированных направлений: это ядерная физика, сверхпроводимость, криобиология, криохирургия и многое другое. Сжижение промышленных газов, их хранение и транспортировка используются в металлургической, химической промышленности и, конечно, в военной технике и космонавтике.

— А как криогенные технологии используются в космосе?

— Освоение космоса без криогеники никак не могло произойти, так как ракеты заправляются жидким окислителем (кислородом). Его температура составляет ниже 90 К, то есть почти -200 °C. И дальнейшее развитие в космонавтике также напрямую связано с развитием криотехнологий. Уже сейчас есть ракеты, которые летают на жидком водороде. Ключевое преимущество сжиженных газов в ракетостроении понятно: в жидком криогенном состоянии они становятся компактнее, а для космической отрасли этот параметр критически важен. Для сравнения, килограмм жидкого азота займет в 700 раз меньше объема, чем газ. Компактность позволяет размещать в носителях запас, который необходим для вывода космического корабля на орбиту Земли. При этом если мы задумываемся о полетах на Луну, Марс, то потребуется сохранить гораздо большее количество топлива, поэтому здесь без криогенных веществ не обойтись.

— Почему ставка делается именно на сжижение газов?

— Как я отмечал ранее, спектр их применения обширен, ракетостроение лишь одна из областей применения. Получение и сжижение промышленных газов, в частности сжиженного природного газа (СПГ), и применение сжиженных газов в различных технологиях вызывают все более пристальный экономический интерес в мире. В странах, где углеводородных топлив не так много, а потребность в них большая, уже сейчас активно применяется СПГ. Это характерно в первую очередь для Юго-Восточной Азии: Японии, Южной Кореи, Китая.

И интерес этот будет только расти, по двум причинам. Первая — к использованию сжиженных газов подталкивает весь ход развития нынешних технологий. Вторая лежит в плоскости экологии — во всем мире все острее встает вопрос эффективной энергетики, экономии природных ресурсов и сохранения экологии. Это вынуждает нас искать новые технологии преобразования энергии, использовать новые виды топлива, иными словами, создавать эффективные экологически чистые энергосистемы. Это непростая задача, но использование СПГ способно в большой степени ее решить. Ключевые инструменты для получения энергии на нашей планете — это ТЭЦ, ГЭС и АЭС. Причем львиную долю, почти 90%(!) всей энергии на земле обеспечивают ТЭЦ. Они могут работать на газе, мазуте, жидком топливе, угле. Учитывая, что теплоэлектростанции это основа большой энергетики, очевидно, что за счет повышения их энергоэффективности мы достигнем несравнимо лучших результатов, чем дают наши пока еще первые попытки полностью перейти на возобновляемые источники энергии.

— Альтернативные источники энергии экологичнее?

— За счет чего вы получите энергию?

— Объясню, откуда она берется. Рассмотрим схему использования природного газа. После добычи его сжижают, перевозят в место эксплуатации, там он поступает в газификатор и под воздействием тепла окружающей среды переходит в газообразное состояние. Далее метан попадает, например, в газопоршневую установку, которая вырабатывает энергию, и эта энергия поступает к конечному потребителю. Однако сжижение газа требует энергетических затрат. Чтобы получить всего лишь килограмм СПГ, нужно израсходовать энергию от 1,8 до 3,6 мегаджоуля (примерно от 0,5 до 1 киловатта в час на килограмм). Для сравнения, чтобы вскипятить полтора литра воды в чайнике, чья стандартная мощность 1,5 киловатта, потребуется энергия — примерно 0,2 киловатта в час. Итак, при сжижении природного газа затрачивается 1 киловатт в час! Это большая энергия, и она содержится в криопродукте. Эту низкопотенциальную энергию, которая безвозвратно теряется при регазификации, мы и собираемся использовать. Разработка схем и методов для возвращения этой энергии является одним из центральных направлений исследований нашей лаборатории.

— Каким образом это можно сделать?

— Один из возможных способов — встраивание вспомогательного технологического цикла. Прежде чем СПГ попадет в газопоршневую установку, он совершит замкнутый цикл в паросиловой машине, где за счет тепла окружающей среды или другого внешнего источника тепла он превратится в газ и произведет дополнительную работу. Такая встроенная установка не требует сверхусилий и суперзатрат, при этом мы получаем энергию, которая обычно теряется. Конечно, всю энергию, затраченную на сжижение, согласно законам термодинамики вернуть невозможно, можно рассчитывать процентов на 10%. Тем не менее мы сможем получить колоссальное количество энергии, потому что наша разработка может быть применима везде, где используются криогенные продукты, а это очень обширная сфера. Учитывая масштабность применения, выгода, которую обеспечат наши разработки, может быть внушительной.

— То есть лаборатория по криотехнологиям будет заниматься разработкой вспомогательных циклов энергосбережения для ТЭЦ?

— Это только одна из частных задач, которая входит в гораздо более широкое поле исследований. Область наших исследований включает любые установки, где есть криогенное вещество и процесс, где оно регазифицируется и при этом за счет внешнего тепла и низкопотенциального тепла (холода) криопродукта можно получить энергию. Мы сможем разрабатывать энергоэффективные схемы для железнодорожной, аэрокосмической, автомобильной техники и не только.

— Автомобили на газу — повседневность, а самолеты, летающие на жидком водороде или СПГ, уже существуют?

В апреле 1988 года состоялся первый полет Ту-155, а в следующем году также успешно отлетал Ту-156 с инновационным двигателем НК-89, работающим на СПГ. Всего на криогенном топливе было выполнено около 100 полетов, в том числе 5 на жидком водороде, также Ту-155 совершил полет на конференцию по проблемам использования криогенного топлива в авиации. Это, конечно, был огромный успех, но возникла сложность — новое топливо требовало слишком больших емкостей для размещения, из-за чего полезное пространство существенно сокращалось и использование становилось нецелесообразным.

Вероятно, инженерные задачи удалось бы решить, но, к сожалению, наступили сложные для нашей страны 1990-е годы: СССР прекратил свое существование, предприятия переживали кризис и программа по криогенным топливам была закрыта. Однако потенциал нового топлива очень велик: к примеру, водород существенно превосходят авиационный керосин по теплотворной способности, при этом он абсолютно экологичен.

— Куда будет двигаться дальше криогеника в университете?

— В рамках нашей кафедры теплотехники и тепловых двигателей направление, связанное с криотехнологиями, вопросами повышения эффективности систем охлаждения, в том числе и бортовых, сформировалось давно. У нас существует целая школа под руководством Владимира Бирюка по вихревому эффекту — вихревые технологии обязательно найдут свое применение в криогенике.

Отдельно хочу отметить большое и многообещающее направление по газовым криогенным машинам Стирлига. Криогенные машины Стирлинга позволяют получить холод до 20 К, то есть температуры жидкого водорода. Применение этих экологически чистых и высокоэффективных машин — наиболее перспективный тренд развития криогенной техники в XXI веке, решающий проблему экономии топливных ресурсов и снижения загрязнения окружающей среды. Однако чтобы спроектировать такую машину, необходимо создать ее адекватную математическую модель и соответствующий метод расчета. Эти расчеты весьма сложны.

Создание подобных машин — очень наукоемкое направление, которое промышленным предприятиям трудно осилить без тесной связи с университетской наукой. Еще одно трендовое направление исследований нашей лаборатории — создание инновационных систем охлаждения на принципах термокаустики.

— Что такое термоакустика и зачем нужны такие системы?

— Это новое, возникшее совсем недавно направление в термодинамике. Основная идея в том, чтобы использовать акустическую энергию для преобразования ее в работу.

Например, когда работает акустический динамик, он вырабатывает акустическую энергию, которая рассеивается в пространстве. Однако если соединить этот динамик с акустическим резонатором и установить в нем соответствующий преобразователь, то можно получить или механическую энергию и далее электрическую, или получить низкопотенциальное тепло, то есть холод.

Это перспективное направление интересно для разных технологий: получения энергии, системы охлаждения, шумоглушения с утилизацией акустической энергии, процессов горения и др.

— Умеренный холод включает в себя бытовые и промышленные системы охлаждения, системы кондиционирования. Целый пласт связан с пищевой промышленностью, где задачи охлаждения, хранения продуктов являются приоритетными. Поэтому исследования нашей лаборатории будут полезны не только на уровне энергетики, авиации, космонавтики и промышленности, но и в обыденной жизни для каждого из нас. Более того, в Поволжье есть потребность в специалистах в области холодильной техники, поэтому будет востребовано и образовательное направление — подготовка кадров по криогенной и холодильной технике, — которое, думаю, со временем у нас тоже появится. Вопросы этой области актуальны на любом производстве, и уж тем более в аэрокосмической отрасли.

Следует особо отметить тот факт, что в мировом рейтинге специальностей специальности, касающиеся холодильной и криогенной техники, по востребованности находятся на пятом месте.

— Сейчас ведутся какие-то конкретные работы в лаборатории?

Сейчас на этой действующей установке мы отрабатываем саму технологию, методы расчетов и поведение вещества (азота), а когда прототип будет готов, предложим его для реализации.

Современные и перспективные технологии требуют совершенствования и повышения эффективности использования энергии холода. Наши исследования закладывают фундамент для развития в нашем регионе новейших энергоэффективных, экологичных, низкотемпературных систем и устройств, позволяющих применять их не только в энергетике и аэрокосмической области, но и в повседневной жизни, а также в заботе об окружающей среде.

Принцип работы криогенных установок основан на сжижении воздуха и последующем его разделении на азот, кислород и аргон.
Такой способ получения газов называется разделением воздуха методом глубокого охлаждения.
Криогенными считаются температуры ниже 120 К (-153 o С).
Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 °K и превращается в жидкость.
Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температуры кипения его компонентов: кислорода - 90,18 °K, азота - 77,36 °K.
При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость все более обогащается кислородом.

Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкие кислород, азот и аргон нужной чистоты.
При относительно высокой стоимости криогенные блоки очень надежны, просты в эксплуатации, обладают высокими техническими характеристиками и позволяют получать газы высокой чистоты в очень больших объемах, например, газообразный азот сверхвысокой чистоты (до 1 ppb), который не может быть получен в адсорбционных и мембранных системах.

В то же время криогенные блоки являются экономически эффективными при долгосрочной эксплуатации за счет низкого удельного энергопотребления и низких эксплуатационных затрат.
Широкое применение нержавеющей стали, особенно для трубопроводов и клапанов, позволяет использовать простые и надежные сварные соединения, а также обеспечивает противокоррозионную стойкость. Кроме этого, само по себе сварные соединения нержавеющих трубопроводов как внутри холодного блока, так и в не его, обеспечивают долговечную плотность и не допускают протечек.
Основными техническими преимуществами криогенного способа являются гарантированная высокая чистота продукта при неизменном расходе, а также низкое удельное энергопотребление в течение всего срока эксплуатации.
Минимизация вращающихся и движущихся механизмов обеспечивает долгий ресурс работы криогенных установок.
При соблюдении проектных условий эксплуатации блока комплексной очистки (БКО) не требуется замена адсорбентов в течение всего срока службы установки.

Уже почти год в промышленной зоне Слау недалеко от лондонского аэропорта Хитроу суточные перепады в нагрузке региональных энергосетей успешно компенсирует первый в мире холодильник для электричества – 300-киловаттная криогенная аккумулирующая электростанция Highview Power Storage.

Криоэнергетика: криогенная электростанция

Ватты в термосе


Схема криогенной аккумулирующей электростанции. Энергия в повседневной жизни ассоциируется у нас с теплом. Однако в случае криогенной аккумулирующей электростанции ключ к сохранению энергии – это холод. Невостребованная в течение дня электроэнергия превращается в светло-серую жидкость с температурой -196°C, и это не что иное, как сжиженный атмосферный воздух.

Успех проекта был закреплен незамедлительно. На грант в ?1,1 млн, выделенный правительством страны, инициативная группа в составе Highview, региональных электросетей Scottish & Southern Energy и производителя криогенной техники BOC/Linde весной прошлого года запустила в Слау пилотную аккумулирующую станцию мощностью 350 кВт с емкостью хранилища 2,5 МВт/ч (4−8 часов работы сети с полной нагрузкой).


Несмотря на великолепный КПД в 83%, станция в Слау выбрасывает в атмосферу огромное количество отработанного пара с температурой в пределах 110-115°C. Существующие технологии рекуперации тепловой энергии с такими температурами не работают, и эффективны лишь в диапазоне 120-370°C. Чтобы превратить отходы в доходы, компания Scottish&Southern Energy использует бросовое тепло для прогрева испарителей CES, поднимая КПД аккумулятора с 50 до 70%.

Из огня да в полымя

Сборка станции на месте заняла всего два месяца, так как абсолютно все используемое в ней оборудование выпускается серийно и не требует дополнительной сертификации. По словам главного технолога Highview Роба Моргана, подобные системы можно собирать из готовых модулей, как конструктор Lego, и масштабировать их электрические характеристики в зависимости от требований сети. Емкость модуля, в свою очередь, определяется объемом энергоносителя: термос на 10 т жидкого воздуха плотностью 873 кг/м3 способен выдавать в сеть один мегаватт мощности в час, на 100 т — 10 МВт/ч, В периоды вынужденного бездействия CES-станции могут вырабатывать на продажу сжиженные технические газы или производить холод для пищевых, химических и металлургических комбинатов.


Хранение жидкого воздуха намного безопаснее, чем природного газа, мазута или дизтоплива, а сама технология криогенной аккумуляции энергии относительно проста, доступна и компактна.


Подготовленный таким образом и сжатый до 40 атм сухой и горячий воздух проходит через двухступенчатый турбодетандер — холодильную машину, в которой он дважды расширяется и теряет большую часть своей тепловой энергии (охлаждается), раскручивая лопатки турбин до 50 000 об/мин. Дополнительное охлаждение происходит также при дросселировании за счет эффекта Джоуля-Томпсона: находясь еще под давлением, газ медленно проходит в расширительную камеру через пористую перегородку — дроссель. В результате львиная доля закачанного в систему воздуха превращается в светло-серую текучую жидкость с температурой -196°C, а остатки охлажденного газа, не успевшие потерять всю тепловую энергию, закачиваются в турбодетандер повторно. Хранение жидкой смеси азота и кислорода осуществляется при атмосферном давлении в двух стандартных 10-тонных криогенных емкостях-термосах с двойной вакуумно-порошковой термоизоляцией.

widget-interest


На сегодняшний день существуют три основных технологии, которые применяются в промышленности для генерации газов из воздуха: мембранная, адсорбционная и криогенная. Каждая из них имеет свою специфику и может оказаться наиболее выгодной при определенных условиях. Разберемся, в каком случае имеет смысл использовать каждую из них.

Мембранные установки

В данном случае разделение воздуха происходит в процессе его прохождения через пористое волокно за счет различной скорости проникновения отдельных веществ. Для создания тока воздуха применяется перепад парциальных давлений с разных сторон мембраны. Как правило, установки, работающие по мембранному принципу, используются в промышленности для производства азота, концентрацией от 95% до 99.6%

К преимуществам технологии можно отнести

  1. Мобильность. Благодаря своей компактности такая установка, помещенная в блок-контейнер, может быть помещена на шасси и перемещаться с объекта на объект.
  2. Простота регулировки производительность/чистота газа при помощи одного регулятора расхода на выходе.
  3. Нечувствительность метода к наличию в сжатом воздухе парообразной влаги.

Недостатки мембранных установок

  1. Ограничения по чистоте получаемого азота.
  2. Чувствительность мембраны к наличию паров компрессорного масла и температуре подаваемого воздуха (необходимо использовать дополнительное оборудование для подготовки воздуха).
  3. Ограниченный срок работы мембран (максимум 5 лет при хорошей подготовке воздуха) и их высокая стоимость, составляющая большую часть цены всей мембранной установки.

Адсорбционные установки

Данный способ разделения базируется на принципе поглощения определенного газа специальным веществом - адсорбентом. Воздушная смесь подается в адсорбер под давлением, в результате чего одни компоненты смеси поглощаются адсорбентом, в то время как другие свободно проходят через аппарат. На следующем этапе газоразделения происходит очистка (продувка) адсорбента от поглощенного газа за счет сброса давления или повышения температуры. Такие установки отлично подходят для получения водорода, азота, кислорода, метана, этилена и других компонентов высокой концентрации (от 95% до 99,9999%, для кислорода этот показатель – до 95%).

  1. Адсорбент стоит дешевле, чем мембраны, а также служит дольше, до 10-15 лет.
  2. Технология малочувствительна к температуре сжатого воздуха как с точки зрения эффективности работы, так и с точки зрения износа.
  3. Высокая степень автоматизации процесса, безопасности и надежности оборудования.
  4. Более высокая степень очистки азота по сравнению с мембранным способом.

Недостатки адсорбционной технологии

  1. Не позволяет получать сжиженный газ, а также технический кислород чистотой выше 95%.
  2. Наличие в сжатом воздухе парообразной влаги вызывает снижение эффективности работы адсорбента, в связи с чем обязательно требуется установка осушителя сжатого воздуха.
  3. Для изменения расчетной производительности и чистоты газа необходимы дополнительные программные настройки.

Криогенные установки.

Принцип работы криогенных установок основан на сжижении воздуха и последующем его разделении на азот, кислород и аргон. Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в детандере с понижением температуры до -180 °C и превращается в жидкость. Дальнейшее разделение происходит благодаря разной температуре кипения компонентов: при постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость все более обогащается кислородом. Таким образом на выходе из установки получается азот или кислород в жидком или газообразном состоянии.

Читайте также: