Постановка задачи и исходные данные

Расчет и конструирование ванн предварительного охлаждения для криогенных систем является важной инженерной задачей, решение которой позволяет без значительных капитальных затрат понизить температуру основной рабочей среды (чаще воздуха и его компонентов, неона, водорода, гелия) до температуры кипения дополнительной технологической среды (чаще аммиак, углеводороды, азот) при соответствующих параметрах реализации процесса предварительного охлаждения.

Теплообменный аппарат, применяемый для реализации процесса предварительного охлаждения основной рабочей среды, принято называть ванной предварительного охлаждения. Основная проблема, возникающая при расчете и конструировании ванн предварительного охлаждения – теплообмен в двухфазной среде. В преобладающем большинстве случаев кипение вспомогательной технологической среды при небольшом избыточном давлении происходит в межтрубном пространстве, а движение охлаждаемой основной рабочей среды происходит в трубных каналах.

Формулы для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении на горизонтальных трубах (допущение, вход и выход потока в каждом витке змеевика расположены на относительно небольшом расстоянии по вертикали) несут эмпирический характер, погрешность расчета составляет от 20 % до 50 % в зависимости от применяемой методики, отсюда возникает необходимость использовать в расчетах большие значения коэффициентов запаса по теплообменной поверхности.

В качестве примера рассмотрим два подхода к расчету и конструированию ванн предварительного охлаждения гелия:

• ванна предварительного охлаждения со спиральным многозаходным змеевиком (см. рисунок 1), рассчитываемая по методике С.С. Будневича [1, стр. 102-112] путем определения температурного напора при достижении баланса величин удельных тепловых нагрузок по потокам основной и вспомогательной сред графическим методов;
• витая ванна предварительного охлаждения, рассчитываемая методом численного интегрирования кривой кипения [2, 3],

для криогенной системы, схема которой представлена на рисунке 2, а значения теплофизических параметров потоков в точках цикла представлены в таблице 1. 

Материалы данного документа следует рассматривать совместно со следующими документами [в рамках статьи представлены только те материалы, которые не содержат коммерческой тайны]:

• планом размещения оборудования и чертежами компонентов оборудования – Приложение 1;
• блочной, функциональной (с материальным балансом) и принципиальной схемами технологического процесса PFD – Приложение 2;
• разделом проектной документации (том 13.1). Сети автоматизации - Приложение 3;
• разделом проектной документации (том 6) в части технических решений ПД-ТХ – Приложение 4;
• комплектом поставки – Приложение 5.

Приложение к классификационному решению

Перечень компонентов установки

Приложение к классификационному решению

Блочно-модульная схема установки

Основной технологический процесс, реализуемый в границах станции обеспечения техническими газами, осуществляется в воздухоразделительной установке. Установка включает следующие основные системы и оборудование:

• систему охлаждения оборотной воды, состоящей из открытого и закрытого контуров;
• блок компримирования, состоящий из основного и дожимного компрессоров;
• блок очистки и осушки, состоящий из двух параллельно включенных и работающих попеременно адсорберов комбинированных и двух групп нагревателей электрических азота продувочного с полным резервированием;
• блока холодного, содержащего непосредственно колонну двукратной ректификации, колонну сырого и колонну чистого аргона, аппарат теплообменный основной криогенный, насосы жидкостные криогенные, изоляцию тепловую криогенную, турбодетандерные агрегаты, запорную и регулирующую арматуру;
• систему хранения и выдачи газообразных и жидких продуктов разделения воздуха, состоящей из емкостей криогенных, насосов жидкостных, ресиверов высокого давления, испарителей паровых, пунктов распределительных, узлов коммерческого учета, рамп автомобильных, запорной и регулирующей арматуры и изоляции тепловой криогенной.

На площадке станции обеспечения техническими газами помимо непосредственно блока разделения воздуха, систем хранения и выдачи продуктов разделения воздуха (ПРВ) размещаются административно-бытовой комплекс, парковка для автомобильных цистерн транспортировки жидких продуктов разделения воздуха, автовесы, контрольно-пропускные пункты, эстакады и другие инженерные коммуникации, необходимые для нормального функционирования станции.

Производительность установки

В зависимости от режима работы производительность установки имеет следующие показатели:

Режим 1. Номинальный (температура окружающей среды 30,5 ℃, относительная влажность 80 %):

Режим 2. Экстремальный (температура окружающей среды 45 ℃, относительная влажность 17,8 %):

Все шкафы оборудованы шиной защитного заземления с местом под приварку ее к главной заземляющей шине.