Структура криогенной системы; ее декомпозиция на ступени и элементы

а) СТУПЕНИ КРИОГЕННОЙ СИСТЕМЫ

Как уже было показано, в общем случае любая криогенная система наряду с основополагающим процессом окончательного внутреннего охлаждения должна включать еще три основных процесса. Каждый из них осуществляется в соответствующей ступени криогенной системы¹.

1. Ступень подготовки рабочего тела (СПТ), в которой производится увеличение обобщенной силы Р рабочего тела с отводом тепла Q _{о. c .} в окружающую среду. Рабочее тело получает эксергию Е любого вида (чаще всего в виде механической энергии), которая полностью или частично обеспечивает действие системы.

2. Ступень предварительного охлаждения (СПО) рабочего тела от до температуры Т_а начала окончательного процесса внутреннего охлаждения (или отвода энергии от нижнего каскада на уровне Т_а в виде тепла или энтальпии). Эта ступень может быть регенеративной, каскадной или комбинированной.

3. Ступень использования эффекта охлаждения (СИО), в которой обеспечивается вывод из системы продукта либо в виде холода (класс R), либо в виде конденсированного криоагента (класс L). Эта ступень включает процесс bc (рис. 4-5) и может включать полностью или частично и процесс ab в том случае, если подвод тепла идет одновременно с процессом внутреннего охлаждения.

¹ Термин «ступень» используется в этом случае для обозначения подсистемы (части системы) в связи с тем, что эти части расположены последовательно на различных температурных уровнях.

Ступень использования охлаждения может сочетаться с каким-либо технологическим процессом, осуществляемым при низкой температуре (например, разделение смесей).

4. Ступень окончательного охлаждения (СОО), в которой ведется процесс внутреннего охлаждения до T ₀, находится, естественно, в промежутке между СПО и СИО; она может частично или полностью совпадать с СИО.

Таким образом, криогенная система в общем случае должна включать четыре основные части (ступени), показанные на рис. 4-7. В случае необходимости в структурную схему включается и система внешнего охлаждения СВО, предназначенная для отвода тепла Q".

Энергетические балансы типа (4-4) составляются обычно для суммы всех ступеней, кроме первой − СПТ, находящейся при Т> .

В некоторых случаях возникает необходимость составления энергетического или эксергетического баланса для части криогенной системы, находящейся ниже некоторого определенного температурного уровня T <  (показано штрихпунктиром на рис. 4-7). Тогда контрольная поверхность системы проходит по штрихпунктирному контуру. Вид уравнения баланса для этой части остается, естественно, аналогичным.

Элементы криогенной системы, входящие в перечисленные выше четыре ступени и непосредственно определяющие ее термодинамические параметры, могут быть названы основными. В дальнейшем процессы именно в этих элементах будут предметом рассмотрения¹.

Наименьшее число элементов обычно содержится в СПТ и СИО.

Некоторые элементы образуют устойчивые сочетания − группы элементов, часто встречающиеся в разных криогенных системах.

Таким образом, любая криогенная система состоит из сочетания относительно небольшого числа элементов и несколько меньшего количества их групп.

С общих позиций необходимо рассмотреть еще два аспекта, связанных со структурой криогенных систем и взаимодействием ее ступеней, а именно стационарность и нестационарность параметров потоков рабочего тела.

¹ Вспомогательные элементы криогенных систем (в которых обеспечиваются очистка и осушка рабочих тел, вакуумирование, хранение и транспорт криоагентов, отогрев, а также тепловая изоляция), КИП и автоматика не связаны непосредственно с термо­динамическими основами криогенной техники; их описание, методика расчета и опти­мизации имеются в литературе, например в [8−11].

То же относится и к случаям, когда в некоторых основных элементах совершаются процессы, относящиеся к функциям вспомогательных элементов (например, очистка в теплообменных аппаратах).

Все криогенные системы могут быть разделены по признаку истечения параметров рабочего тела в каждой точке системы по времени. В системах со стационарными потоками эти параметры неизменны. (В дальнейшем мы будем обозначать принадлежность к этому классу индексом s, например R_s.) Эти параметры во всех или большинстве точек системы циклически меняются по времени в системах с нестационарными потоками ¹ (индекс n, например R_n).

Так, на рис. 4-7 в первом случае параметры в точках 1, 2, 3 и 6 постоянны; во втором они циклически меняются.

Многие системы со стационарными потоками включают элементы, процессы в которых нестационарны (например, поршневые машины − компрессоры или детандеры, регенераторы и др.). Однако на входе и выходе из этих элементов параметры потоков практически стационарны; замена машин (или других элементов) периодического действия на соответствующие машины или аппараты непрерывного действия с теми же параметрами входа и выхода не меняет характеристик системы. Процессы в них могут с этих позиций рассматриваться как квазистационарные.

¹ Это деление, разумеется, основано на рассмотрении параметров систем, работаю­щих в установившемся режиме. В условиях неустановившегося режима (например, при пуске) почти все параметры систем меняются по времени (причем нециклично) незави­симо от класса системы.

Рис. 4-7. Структура криогенной системы и взаимосвязь ее ступеней.

Рис. 4-8. Затраты работы и тепловые потоки в идеальном каскадном процессе
на диаграмме Q, Т Шамбадаля.

Стационарность или нестационарность потоков в криогенных системах существенно влияет на их устройство и характеристики, несмотря на то, что общая структурная схема в обоих случаях одинакова.