Введение к работе
Актуальность проблеми.- Практическое применение сверхпро
водимости (СП) в'промышленных масштабах (при реализации управ
ляемого термоядерного синтеза, магнито-гидродинамическом пре
образовании энергии, получении высоких энергий, передаче энер
гии больших мощностей, создании высокоэффективного электрообо
рудования) связано с необходимостью создания, крупных комплек
сов криогенного обеспечения (ККС). Криогенное оборудование,
работающее в составе таких комплексов, должно отвечать требо--
ваниям высокой эффективности, повышенной надежности и полной
автоматизации. Надежность работы ККО решающим образом зависит
от глубины очистки криоагента (гелия). Попадание газообразных
примесей в низкотемпературную часть криоблоков и вымерзание- их
там приводит к сбою режима работы и создании аварийней ситуа
ции. В зависимости от назначения СП-об'ьекта требования к'крио
генным установкам ККО по ресурсу непрерывной работы (РИР) дос
тигают 5...10 тыс.ч. Для выполнения столь, высоких трейоваюш
необходимо создание адсорбционных систем низкотемпературной
очистки криоагента соответствующего уровня "технического совер
шенства на основе всестороннего исследования реализуемых в них
процессов. ' . * '''»
Цель работа - создание высокоэффективных адсорбционных систем низкотемпературной очистки криоагента"для крупных.комплексов криогенного обеспечения. Задачами исследования являлись:
-выявление источников и характера загрязнения'криоагента;
разработка пргаїштов построения систем счистки; определение
требований к узлам очистки по обеспечиваемой чисто?*? криоаген
та в функции РНР; -г '
-выбор адсорбента и экспериментальное исследование статики и динамики адсорбции криогенных газов 0)2» Ог. No, Нг- Не) . в представляющих практический интерес диапазона/, основных тех-,' нологическйх параметров; разработка на основе полученных'дан-
ныл методики технологического расчета адсорберов тонкой очистки гелия, обеспечивающей необходимую точность результатов;
-постадкйное исследование адсорбционных циклов на натурных блоках очистки гелия от N2 и Ог с выявлением факторов, влияющих на глубину очистки; отработка режимов, обеспечивающих необходи-мую чистоту криоагента; поиск путей повышения эффективности процесса очистки гелия от микропримесей N2 (воздуха); выяснение перспективности адсорбционного метода для глубокой очистки ге-лия от Ne в условиях крупного криогенного производства;
-исследование процессов охлаждения и нагрева слоя сорбента в крупногабаритных адсорберах различной конструкции (в том числе с испольеованием встроенных тепловыделяющих поверхностей).
Научная новизна работы заключается в следующем:
определены ^требования к чистоте криоагента по низкоки-пящим газообразным примесям в функции ресурса непрерывной работы КГУ различии типов;
установлены факторы, влияющие на обеспечиваемую глубину очистки (определяющее влияние работы поверхностно расположенных микропор),и разработаны методы достижения необходимой чистоты криоагента;
выяснены особенности, процесса массообмена в области малых относительных концентраций, получены зависимости кинетических характеристик от основных параметров, разработана методи!-» расчета времени защитного действия адсорберов с учетом влияния нестационарной стадии процесса и основных кинетических факторов;
установлена взаимозависимость основных параметров (концентрации, температуры, скорости.потока, длины слоя) в процессе очистки гелия от микропримеси Nz. определены их соотношения, обеспечивающие'максимальную динамическую емкость;
решена задача по установлению характера и величины взаимного смещения Фронтов адсорбции N2 и Ог в области малых: относительных концентраций в зависимости от. степени загрязнен-
пости гелия и продолжительности работы адсорбера; показана возможность автоматизации переключения заполненных активным углем адсорберов очистки гелия по сигналу о проскоке Ог;
- расчетно-зкспериментальным путем выявлены характерные особенности и оптимальные параметры процессов нагрева и охлая-дения слоя сорбента при регенерации адсорберов различных конструкций .
Практическая ценность и внедрение результатов. Выработаны принципи построения систем и блоков низкотемпературной очистки (БНТО) криоагента. Установлено влияние основных параметров на эффективность процессов, реализуемых в адсорберах очистки гелия различных типов и назначения, определены оптимальные соотношения геометрических и технологических параметров, разработаны алгоритмы автоматического управления БНТО. Результаты ра- боты внедрены в' АО "Криогенмш" при создании типового ряда блоков очистки гелия от Ng и Ог (в т. ч. ))0-400/80, НО-800/80, НО-2400/80), блоков доочистки гелия ст микропримесей N2 и Ог (Н0-800/50), блоков очистки гелия от Ne и Н?. (КО-100/4,5) и,. на их основе, систем очистки криоагента для стенда "Криогро.ч" (АО "Криогенмаш", г. Балашиха), стенда испытаний магнитных систем (СИМС) и ККО "Токамак-15" (ИАЭ им. Курчатова, г. Москва), ККО-МГДЭС-100 (ИВТАН, г. Москва), стенда калибровки СП-магнитов УНК-3000, экспериментального участка УНК-3000 и ККО ускорительно-накопительного комплекса УНК-3000 (ИФВЭ, г. Протвино).
Автор зз^пяает:
-принципы построения систем очистки для крупных криогенных
комплексов с учетом результатов определения требований к ним по
обеспечиваемой чистоте криоагента, а также источников и харак
тера его загрязнения j. '
-методику и результаты экспериментального исследования статики-и динамики адсорбции криогенных газов; технологию глубокой очистки криоагента с адсорбцией примесей.Ng к 0% при температуре Тая- 80К и обеспечением остаточного содержания приме-
сей Ск s 1-10"? X об.;
-методику уточненного (с учетом влияния нестационарной стадии процесса) расчета адсорберов низкотемпературной очистки гелия от N2 (воздуха);
-технологию доочистки криоагента от микропримесей Ng (воздуха) с увеличением динамической* емкости сорбента ва счет снижения температурь) адсорбции относительно Тад- 80К до оптимального значения,"зависящего от скорости потока;
-методику расчета динамики адсорбции двухкомпонентной примеси с определением взаимного смещения фронтов адсорбции N2 и 02 (в обеспечение возможности автоматического переключения адсорберов по сигналу о проскоке легкоиндицируемого 02 через определенное поперечное сечение слоя сорбента);
-результаты расчетно-экспериментального исследования процессов нагрева и охлаждения-адсорберов различных типов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной ра
боты докладывались и обсувдались на II Всесоюзной конференции
"ио техническому использованию сверхпроводимости (Ленинград,
1984), на конкурсах научно-исследовательских работ НПО "Крио-
геимаш" (Балашиха, 1982, 1984), на IV Всесоюзной конференции
"Научно-технические проблемы и достижения в криогенной технике"
("Криогеника-87", Москва)', на Общесоюзном семинаре по теории
динамики сорбции и хроматографии (МГУ, 1988), на Всесоюзном
семинаре "Научно-технические проблемы криогенной техники и
кондиционирования" (МВТУ, 1989). '
ПуОлмнации. По 'результатам выполненных исследований опуб-лнковешо lb печатных работ.
0(л>еи и структура работы. Диссертация состоит из введения, А глав, выводов^ описка испольаованной литературы и приложений. '1'абота ХЫь учета'приложений) ивложена на 149 страницах маши-:.;2!ши:;і!ого текста, включая 3 таблицы, содержит 24 рисунка, спи-" йо-л исшіьаеванноЗ литературы из 170 наименований. Приложения из 4В страницах,