Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разложение SFe в условиях эксплуатации высоковольтного оборудования 12
Раздел 2. Методы очистки SFe 24
Раздел 3. Методы очистки SFe в зарубежных системах газообслуживания 35
Раздел 4. Методы очистки SFe в СГО, разработанные в СССР 55
Глава 2 . Направленная кристаллизация - основа способа очистки и регенерации SFe. Математические модели направленной кристаллизации 61
Раздел 2. Определение времени намораживания кристалла SFe заданной толщины 82
Раздел 3. Экспериментальное исследование направленной кристаллизации 91
Глава 3.. Применение адсорбции для осушки и очистки элегаза 142
Раздел 2. Исследование задачи утилизации SF6 163
Раздел 3. Экспериментальное исследование конденсации SF6 186
Раздел 4. Анализ состава примесей в SF6 194
Глава 4. Установки и системы очистки и регенерации SF6 220
Глава 5. Новый хладагент Хладон-510 245
Выводы по работе 269
Список использованной литературы 271
Приложение
- Методы очистки SFe в зарубежных системах газообслуживания
- Определение времени намораживания кристалла SFe заданной толщины
- Экспериментальное исследование направленной кристаллизации
- Экспериментальное исследование конденсации SF6
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Использование новых рабочих тел в энергетике является необходимым условием её развития как отрасли, обеспечивающей гармоничное развитие всей промышленной структуры, а также систем жизнеобеспечения городских и сельских районов. Постоянным вопросом для энергетики является её надёжность и эффективность, точнее бесперебойная подача электроэнергии потребителям и эффективность преобразования в электроэнергию тепла от сжигания энергоносителей. Обычно для этого создаются крупные электростанции в которых и осуществляется это преобразование по выбранному термодинамическому циклу. Характеристикой совершенства цикла является КПД, который зависит от целого ряда факторов, в том числе и от выбранного рабочего тела. Существующие сегодня решения с использованием воды в качестве рабочего тела, позволяют получать КПД на уровне 38-42%. Расчётные значения этого параметра для других рабочих тел могут быть на 5-8% выше, если воду заменить на элегаз, углефториды или двуокись углерода. Об этом были публикации проф. Д.П. Гохштейна, Г.П. Верхивкера и других авторов в начале 60-х годов [1] , однако реализация этих возможностей новых рабочих тел тогда была затруднена из-за отсутствия их в чистом виде, а также из-за отсутствия необходимых систем газообслуживания с этими новыми рабочими телами, без чего длительная эксплуатация машинного оборудования просто невозможна. Вывод был очевиден. Нужны были новые рабочие тела в чистом виде (и их свойства), а также системы газообслуживания для конкретных энергетических комплексов. Нечто подобное системам водоподготовки на ТЭЦ. В техническом воплощении это довольно сложные и объемные комплексы, требующие наличия места для оборудования, обученного персонала для его обслуживания, приборов для контроля параметров рабочего тела и запасов самого рабочего тела, количество которого будет неизбежно уменьшаться.
Аналогичная ситуация с новыми рабочими телами сложилась прежде всего в высоковольтной технике, где элегаз использовался с начала 60-х годов на подстанциях в высоковольтных аппаратах в качестве изолирующей, теплоотводящей и дугогасящей среды.
Высоковольтные элегазовые аппараты в 60-е годы стали широко использоваться в СССР и за рубежом по причине малых габаритов, пожарной безопасности и высокой эффективности гашения дуги.
СССР имел приоритет по использованию элегаза в высоковольтных устройствах благодаря работам проф. Б.М. Гохберга, выполненным ещё до войны. Авторское свидетельство на высоковольтный аппарат с элегазом было получено ещё в 1942 году [2]. Однако промышленные образцы элегазового высоковольтного оборудования появились в конце 50-х -начале 60-х годов. Для этих аппаратов в первую очередь и был необходим элегаз хорошего качества. Для развития конструкций аппаратов необходимо было иметь данные по коррозионной стойкости материалов в среде элегаза с учётом наложенного электрического поля, данные о влиянии продуктов разложения элегаза на надёжность аппаратов и здоровье персонала подстанций, а также удобный и достоверный метод анализа качества элегаза. Чуть позже аналогичные проблемы возникли и у других потребителей элегаза: - в микроэлектронике, лазерной технике, технике высоких энергий, медицине.
Отечественный элегаз в 60-70-х годах выпускался далеко не лучшего качества, поэтому сначала актуальной была задача получения чистого элегаза при наличии достоверного и оперативного метода контроля.
До начала 60-х годов прошлого века практически не было никакой информации по физико-химическим, токсическим и коррозионным свойствам элегаза. Первые открытые научные публикации в СССР по этим темам появились в начале 60-х годов.
После решения задачи получения чистого элегаза неизбежно настала очередь решения задачи транспортировки, утилизации и регенерации элегаза, т. е. восстановления свойств до первичного состояния.
Перечисленные условия применения элегаза и определили перечень задач, решение которых представлено в настоящей работе.
Цель работы заключается в изложении решений прикладных и теоретических задач по обеспечению условий успешного применения элегаза в энергетических аппаратах и комплексах. В работе рассматриваются решения, полученные автором на основе теоретических и экспериментальных работ, выполненных в период с 1971 по настоящее время по следующим темам:
-разработка способов получения чистого элегаза;
-теоретическое и экспериментальное исследование направленной кристаллизации - основного процесса в способах получения чистого элегаза;
-разработка и изготовление экспериментальных установок по реализации способов очистки элегаза;
-разработка, изготовление и испытания устройств утилизации и транспортировки элегаза в виде крионасосов;
-разработка систем газообслуживания (СГО), позволяющих осуществлять подачу, возврат и регенерацию элегаза в энергетические аппараты и комплексы (Т-15, Ангара, Оскол и др.)
-разработка озонобезопасного эффективного рабочего тела для обратного цикла Ренкина в виде азеотропной смеси элегаза (SF6) и перфторпропана (C3F8), позволяющей производить очистку элегаза в непрерывном варианте осуществления способа получения чистого элегаза с использованием промышленных холодильных машин;
-создание методики масс-спектрометрического анализа состава примесей в элегазе;
Основные результаты и их научная новизна
1.Выполнено математическое решение задачи распределения примесей для направленной кристаллизации в присутствии паровой фазы при изменяющейся площади межфазной границы и переменной плотности вещества при фазовом переходе «жидкость - твёрдое тело".
2.На основе направленной кристаллизации разработаны оригинальные способы очистки и регенерации элегаза, позволяющие получать высокочистый продукт в широком диапазоне производительности и первичного уровня загрязнения.
3.Разработана методика масс-спектрометрического анализа состава примесей в гексафториде серы (элегазе), позволяющая диагностировать до 30 примесей с чувствительностью на уровне 1 ррм с максимальной погрешностью 10-15%.
4.Разработаны, изготовлены, испытаны и переданы в эксплуатацию несколько моделей очистных установок, позволяющих в промышленных объёмах получать высокочистые элегаз и углекислоту для использования их в энергоустановках.
5.Разработаны, изготовлены, испытаны и переданы в эксплуатацию несколько моделей крионасосов для элегаза, позволяющие утилизовать и делать регенерацию элегаза после применения в энергетических аппаратах.
б.Разработаны, изготовлены, испытаны и переданы в эксплуатацию несколько систем газообслуживания с элегазом для энергетических комплексов Т-15, Ангара, и др.
7.Разработана, исследована и испытана на нескольких заводах безопасная и эффективная азеотропная смесь Хладон-510, обеспечивающая прямую замену фреона-12 и фреона-22 для генерации холода, необходимого для обеспечения непрерывного цикла очистки элегаза в незамкнутом цикле Ренкина .
Лично автором получены следующие результаты исследований.
- Выполнено решение задачи для направленной кристаллизации в условиях переменной геометрии межфазной границы и изменяющейся плотности вещества.
- Экспериментально получены кривые распределения девяти основных примесей элегаза для процесса направленной кристаллизации.
- Экспериментально определены причины появления третьей фазы (шуги) при конденсации элегаза и состав шуги;
-Получены экспериментальные значения коэффициента теплопроводности элегаза для направленной кристаллизации в цилиндре и при равновесной кристаллизации.
-Разработан и экспериментально исследован способ непрерывной очистки элегаза на основе кристаллизации, осуществляемой при дросселировании элегаза в обратном цикле Ренкина.
- Создан и исследован новый озонобезопасный хладагент "Хладон-510", необходимый для осуществления способа непрерывной очистки элегаза в условиях действующих запретов Монреальского протокола.
Основные результаты экспериментальных исследований, представленные в диссертационной работе обладают научной новизной.
Это прежде всего относится к определению коэффициентов разделения девяти основных примесей в элегазе при направленной кристаллизации и к методике масс-спектрометрического анализа состава примесей, позволяющей идентифицировать около тридцати примесей, реально образующихся в элегазе в разных условиях его применения. Принципиально новым решением является использование обратного цикла Ренкина для создания условий непрерывной направленной кристаллизации элегаза. Новизна авторских решений защищена зарубежными и отечественными патентами. Пять патентов были получены в начале 80-х годов; ещё восемь получены после 1994 года
Практическая значимость результатов выполненных работ обусловлена комплексным и сугубо прикладным характером задач на стадии постановки, особенно если речь шла о разработке систем газообслуживания высоковольтных подстанций (СГО "Оскол") или физико-энергетических комплексов (СГО "Ожерелье-3" для ТЯ-комплекса Т-15). Благодаря методике масс-спектрометрического анализа состава примесей в элегазе при разработке СГО удалось выполнить прикладные исследования с элегазом по тепло-массообмену и материаловедению, моделируя виды воздействия на элегаз в реальных условиях. Полученные экспериментальные данные позволили осуществлять проектирование очистных установок и комплексов на базе достоверных данных. Многолетняя эксплуатация установок очистки и регенерации элегаза, работающих с 80-х годов и по сегодняшний день по крайней мере в трех организациях (НИИЭФ, г. С аров, ОЭМК г. Старый Оскол и ЭНИН г. Москва), позволяют сегодня иметь практическую возможность работы с чистым элегазом, использовать разработанные установки и аппараты для подачи, возврата и регенерации элегаза, использовать методику анализа состава примесей в элегазе для исследовательской практики, а также для практических задач.
Разработанный автором Хладон-510 решает проблему замены запрещённых к использованию фреона-12 и фреона-22, обеспечивая заметную экономию потребления энергии и обеспечивая более широкий диапазон рабочих температур, гарантируя токсическую и пожарную безопасность при эксплуатации.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- Способы очистки и регенерации гексафторида серы (элегаза);
- Результаты теоретических и экспериментальных исследований направленной кристаллизации элегаза и определения коэффициентов разделения примесей при кристаллизации;
- Принципиальные решения установок очистки и регенерации элегаза (и углекислоты), а также систем газообслуживания с элегазом для физико-энергетических комплексов;
- Результаты испытаний установок очистки и регенерации SF 5 и создание Хладона-510 для замены фреона-12 и фреона-22 в холодильных агрегатах.
- Методика масс-спектрометрического анализа состава примесей в элегазе для исследовательских целей.
Апробация работы. Результаты работы докладывались автороми8-ой Всесоюзной конференции по чистым веществам, 1988г, май, г.Горький; на всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерного синтеза, Ленинград, 18-22 июня 1984г; на 19-ом Международном Конгрессе холода в Гааге в 1995 году, Международных конференциях "Компрессоры-1997» и «Компрессоры-2001" в Братиславе, сентябрь 1997 и сентябрь 2001г.; на конференции во ВНИХИ "Современные холодильные технологии". Москва. 6-8 июня 2000г., на Международной конференции "Аммиак: свойства и применение. Перспективы 21 века», Санкт-Петербург, 1-2 февраля 2000г., Международной конференции по альтернативным веществам. Вашингтон. 24-25 октября 1994 г, Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии», МГУ. Физфак. Москва.. 23-27 июня 1997г. и других.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 30 печатных работах и патентах
Методы очистки SFe в зарубежных системах газообслуживания
Поскольку состав примесей в сырьевом элегазе после его синтеза идентичен составу примесей в газе, бывшем в употреблении в электротехнических аппаратах (за исключением паров масел, присутствующих в отработанном газе), методы очистки элегаза после его синтеза могут быть такими же, как и методы регенерации элегаза, бывшего в употреблении. В зависимости от объема выполняемых операций элегазовые системы газообеспечения (СГО) классифицируются на три типа: простейшие, сервисные и полные. За рубежом в 70-е годы была принята полная централизованная схема газообслуживания с разделением функций. На подстанции при помощи сервисных тележек осуществляются простейшие операции по заправке аппаратов и утилизации элегаза перед ревизией. Регенерация элегаза осуществляется по заказу эксплуатирующих служб подстанций специализированным предприятием химического профиля.. например, фирмой АКК , которая осуществляла сбор элегаза, бывшего в употреблении, и взамен предоставляла для работы чистый элегаз. Такая схема взаимосвязей избавляла эксплуатационные службы подстанции от необходимости иметь дорогостоящие очистные комплексы и сложные аналитические приборы с персоналом и позволяла производить его регенерацию по мере необходимости. Технологический цикл газообслуживания аппаратов можно при определенных упрощениях свести к пяти основным операциям: 1. Испытание на прочность и последующее обезжиривание внутренних поверхностей. 2. Вакуумирование и удаление остаточной влаги при прогреве или продувке сухим азотом. Проверка вакуумной плотности. 3. Заполнение аппарата элегазом (или смесями). Проверка герметичности течеискателем или по падению давления во времени. 4.
Восполнение потерь (подпитка) элегаза. Периодическая сушка газа в аппарате по мере натекания влаги. 5. Удаление элегаза из аппарата перед ревизией или аварией аппарата. Продувка отсеков воздухом перед вскрытием корпусов. Большинство перечисленных операций осуществляется при использовании СГО. Связь основных блоков СГО с этапами технологического цикла изделия предоставлена на стр.3 8Л Применение полной или сервисной СГО связано с особенностями эксплуатации экспериментальных и промышленных аппаратов. Для экспериментальных аппаратов частота смены элегаза составляет 10-20 циклов в год, поэтому целесообразность создания полной СГО оправдывается и технически и экономически при объемах аппарата около 100 м3. Для промышленных аппаратов с межревизионным периодом 10-15 лет (а последнее время и 25 лет) экономическое обоснование полной СГО возможно для сравнительно большого количества обслуживаемых аппаратов. Годовая программа по регенерации элегаза из высоковольтных устройств при этом должна достигать 1500-2000 м (9-12 тонн элегаза)..
Следствием этого является принципиальная возможность создания универсального способа, пригодного и для очистки элегаза на заводе-изготовителе, и для регенерации элегаза после его утилизации из высоковольтных аппаратов. Анализируя способы очистки элегаза1 необходимо отметить основное влияние электротехнических потребителей на постановку задачи очистки и регенерации этого вещества, поскольку они и по сегодняшний день остаются покупателями 80-90% выпускаемого элегаза. С 80-х годов прошлого века элегаз стал применяться в микроэлектронике, лазерной технике и медицине. Эти направления сохранились по сегодняшний день с незначительным пока добавлением в пожаротушении, технологии литья алюминиевых сплавов и холодильной технике.
Общий объём потребления в этих отраслях пока остаётся небольшим, однако необходимое качество элегаза для первых трёх видов существенно выше электротехнического уровня. На стр. 38 представлена схема, иллюстрирующая связь технологического цикла элегазовых аппаратов с основными газотехнологическими операциями. ) Для небольших подстанций с надежным оборудованием необходимы упрощенные схемы газообслуживания с минимальным набором необходимых операций. К ним относятся: дозаправка аппаратов элегазом, периодическая осушка элегаза, аварийный сбор, контроль влажности элегаза прибором индивидуального типа. Сервисные тележки зарубежных фирм надежно обеспечивают выполнение части основных операций, изложенных на предыдущей странице - это 3,4 и 5 (см. C.TV38). Иногда добавляются еще несколько дополнительных. Рассмотрим их подробнее. Основная операция - подача элегаза в аппарат чаще всего производится сервисными тележками из баллонов с товарным элегазом либо в жидком виде через испаритель, либо в газообразном при нагреве баллона. Контроль количества поданного газа ведется весовым методом. Поскольку за рубежом поставка некачественного газа в заводском баллоне была маловероятна, входных фильтров по маслу и влаге чаще всего не предусматривалось. При использовании отечественного элегаза, выпускаемого по ТУ 6-02-1249-83, наличие входных фильтров было обязательно, особенно по маслам влаге и пыли. Вторая основная операция - удаление элегаза из высоковольтных аппаратов осуществляется чаще всего с использованием безсмазочных (сухих) компрессоров, хотя есть и иные схемы. Подключение компрессоров в линию осуществляется, как правило, через фильтры активных фторидов, без которых клапаны компрессоров быстро выйдут из строя. После
Определение времени намораживания кристалла SFe заданной толщины
Эта задача возникла в связи с необходимостью определения времени образования слоя твёрдой SF6 заданного размера в процессе направленной кристаллизации и слива (или вспенивания) концентрата примесей. На основе результатов решения теплообменной задачи можно выполнить расчёт длительности основного этапа очистки элегаза в кристаллизаторе. Особенностью рассматриваемой задачи является изменение агрегатного состояния намораживаемого вещества, происходящее при практически постоянной температуре кристаллизации - t кр, поскольку общее количество примесей невелико. Следствием этого является наличие изотермической поверхности, отделяющей область затвердевшего тела от жидкости. Изменение агрегатного состояния при перемещении межфазной границы обуславливает также выделение теплоты фазового перехода и непостоянство теплофизических свойств вещества. Задача намораживания твёрдой фазы (льда) в полубесконечной области относится к разделу нестационарного теплообмена и достаточно подробно изложена в работах [60],[61] и [62]. Решение задач нестационарного теплообмена выполняется численными методами с использованием вычислительных машин или ПК. Точность вычислений тепловых полей достигает 1% [63], если речь идёт о хорошо известных чистых веществах в отсутствии фазовых переходов второго рода. Оценивая возможность использования численных методов для расчёта времени намораживания SF6 , следует сразу же отметить факт переменного состава примесей в процессе намораживания и наличие фазового перехода второго рода в кристалле в диапазоне температур -85- -90С. Состав примесей в SF6 заводского изготовления также не отличается постоянством. Процесс теплопроводности описывается уравнением Фурье, которое
В ,, обобщённом виде для изотропной среды может быть представлено в где: X - коэффициент теплопроводности; С- удельная массовая теплоёмкость; Г-температура; т - время ; р- плотность; qv - мощность внутренних источников теплоты. Решение рассматриваемой задачи на основе уравнения Фурье известно лишь для простейших случаев. Реальные условия приводят к сложным решениям, поэтому большое распространение получил метод решения, основанный на уравнениях теплового баланса, при котором задаются законом распределения температур по толщине слоя твёрдой фазы. Это является основным допущением. Точность решения этого метода в значительной степени зависит от соответствия действительного и принятого распределения температур. Несомненным достоинством рассматриваемого метода является достаточная простота расчёта времени намораживания слоя заданной толщины и возможность оценки коэффициента теплопроводности по данным эксперимента без привлечения сложного математического аппарата. К недостаткам метода следует отнести схематизм рассмотрения процесса теплообмена при фазовых переходах, который может привести к потере общей физической картины процесса, протекающей в сопровождении достаточно сложных явлений. Решение задачи намораживания методом составления теплового баланса исходит из предположения того, что при перемещении границы раздела фаз на величину d8 за dx выделяется теплота кристаллизации dQcK = LKpicFdS [64]. Из расплава к поверхности раздела фаз поступает при этом тепло за счёт конвекции жидкой фазы dQn = a(tpKp) Fdx. При движении фронта кристаллизации средняя температура твёрдой фазы понижается и при этом отводится тепло dQaK= PCKFS ——- - —!!-w & n + 1 (l + 2b„/8) Поскольку всё тепло dQoxji должно отводиться охлаждающей средой, Значение dQojui для принятого параболического распределения температур в затвердевшем слое применительно к решению уравнения Фурье в граничных условиях 3-го рода: После подстановки в уравнение ., значения составляющих его членов интегрирования от 0 до Т и от 0 до 5, получается довольно сложное выражение, связывающее толщину твёрдого слоя с временем намораживания:
При различных допущениях можно получить несколько зависимостей, аналогичных предложенной Лукьяновым [65] или Вейником [66]. Наиболее простой является зависимость Лейбензона [67], полученная в следующих допущениях: q = 0, т.е. отсутствует перегрев расплава и tp =t к D = 0 - пренебрегаем изменением теплосодержания кристалла; Ьп = 0 - пренебрегаем термическим сопротивлением на границе кристалл - твёрдая стенка. П. = 0 — рассматриваем линейное распределение температур в кристалле. При этих допущениях уравнение Лейбензона имеет вид: Lk - тепло кристаллизации, рк - плотность твёрдой фазы, F - площадь межфазной границы, 8 - толщина намороженного слоя за время т, (Хр - коэффициент теплообмена в расплаве, tp - температура в расплаве, ti p- температура кристаллизации, Ск - теплоёмкость кристалла, tc - температура стенки, tn - температура кристаллического слоя, примыкающего к стенке в момент времени X, П - показатель параболы для выбранного параболического распределения температур, Хк - коэффициент теплопроводности твёрдой фазы, ас - коэффициент теплопередачи от стенки к хладагенту, 8с -толщина стенки, Алт - коэффициент теплопроводности стенки. Решение уравнения Лейбензона для цилиндра при выбранном распределении температур в твёрдом слое для граничных условий 1-го рода: tc=tn, dQaK=0 и неперегретого расплава q=0 : Обозначения: R- внутренний радиус цилиндра, RK - радиус границы раздела фаз, г - текущий радиус. В более поздней работе [&5] время затвердевания слоя заданной толщины для цилиндра решено с учётом тепла переохлаждения твёрдой фазы и пористости кристалла:
Экспериментальное исследование направленной кристаллизации
Экспериментальные исследования были выполнены с целью определения эффективных коэффициентов разделения низкокипящих примесей элегаза при направленной кристаллизации. Эту задачу необходимо было решить только экспериментальным путем, поскольку теоретические решения для многокомпонентных смесей необходимо подтверждать экспериментальными данными. I Задача по очистке элегаза включает в себя решение тепловой и гидродинамической задач, необходимых для создания инженерной методики расчета процесса очистки элегаза. Учитывая многообразие и переменный состав примесей в элегазе, необходимо было также разработать методику анализа состава примесей в элегазе. В результате экспериментальных исследований проверялась принципиальная возможность выполнения предлагаемых способов очистки элегаза, определялись значения коэффициентов распределения основных примесей в элегазе, оценивались значения коэффициентов теплопроводности твердой SF6 и критериев Рэлея (Rai и Ran) при изменении параметров процесса нормальной направленной кристаллизации. Исследовались также причины нарушения нормального течения процесса очистки элегаза, связанные с влиянием определённых примесей на процесс конденсации. Отдельно исследовался процесс очистки элегаза при криогенной утилизации. Для экспериментальных исследований и получения необходимых данных были разработаны и изготовлены несколько установок.
На одной из них, оснащённой цилиндрической моделью кристаллизатора, исследовали процесс очистки элегаза и решали задачи теплообмена и гидродинамики, а также определяли значения коэффициента распределения примеси CF4 в SF6 . Другая установка с модельной ячейкой — кристаллизатором предназначалась для более подробного рассмотрения тепловой и массообменной задачи. На ней исследовали теплопроводность твердой SF6 в отсутствии конвективного перемешивания жидкости и определяли значения коэффициентов распределения основных примесей в SF6. Были изготовлены и находились в работе экспериментальные установки по определению параметров кристаллизации элегаза из паровой фазы; по определению параметров конденсации элегаза в присутствии примесей; по определению расходных характеристик элегаза при фазовом переходе « жидкость-твёрдое тело», осуществляемом при дросселировании. Описание экспериментальных установок. Установка с цилиндрическим кристаллизатором. Экспериментальная установка с цилиндрическим кристаллизатором разработана автором на базе установки "УТРО-2 " [68]. Она одновременно использовалась в качестве источника очищенного элегаза единого газообслуживающего комплекса для высоковольтных экспериментальных установок в ЛВН ЭНИН в период с 1972 по 1982 годы.
Чертеж кристаллизатора представлен на рис. 27. Кристаллизатор представляет собой цилиндр из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Верхняя крышка кристаллизатора выполнена из оптического стекла. Нижняя крышка стальная со сливным штуцером для жидкой SF6. Стенки кристаллизатора охлаждаются хладагентом (газообразным или жидким), подаваемым по штуцеру в пространство между кожухом и стенкой. Для выравнивания температурного поля в пространстве между кожухом и корпусом кристаллизатора размещена турбулизирующая спираль. Толщина стенки кристаллизатора 6 мм, внутренний диаметр 96 мм, высота цилиндрической части 1000 мм. Рабочее давление до 1 МПа. Для уменьшения влияния теплопритоков от нижних фланцев внутри кристаллизатора расположены три фторопластовые шайбы общей высотой 45 мм, объединённые патрубком слива жидкости, выполненным из медной трубки 10x1 мм. Над фторопластовыми шайбами смонтирована термопарная рамка, выполненная из листа полиметилметакрилата (оргстекла) толщиной 1мм. На термопарной рамке смонтированы 10 медь-константановых термопар. Концы термопар, объединённые в жгут, выведены наружу в верхней части кристаллизатора через герметичный термопарный ввод.; Указанная схема измерения температур была предназначена для изучения конвективного перемешивания жидкой SF6. Температура стенки кристаллизатора при этом не измерялась. Для решения теплообменной задачи, связанной с определением температуры стенки, кристаллизатор оснащался другой термопарной стойкой, изображённой на рис.28. В обоих случаях контроль показаний термопар обеспечивался прибором ПП-63, Кл. 0,05. Визуальное наблюдение за процессом кристаллизации осуществлялось сверху через оптическое стекло толщиной 18 мм. Через это стекло осуществлялась подсветка внутреннего объёма при фотографирования процесса.
В качестве съёмочной камеры использовался фотоаппарат "Practica STL" с объективом "Tessar 2,8/50". Для извлечения из кристаллизатора шуги, которая может образоваться при определённом составе примесей в элегазе, кристаллизатор оснащён отборником шуги, который посредством герметичного воротка может опускаться и подниматься. Извлечение шуги из кристаллизатора для анализа осуществлялось после слива жидкого концентрата примесей и выравнивания давления в кристаллизаторе с давлением окружающей среды. В этом случае верхний фланец снимался и отборник шуги вместе с исследуемым веществом помещался в специальной контейнер. В процессе выполнения этих операций исследуемое вещество находилось в твёрдом состоянии при температуре 180-200К. Контроль давления в процессе эксперимента осуществлялся по показаниям образцовых манометров и вакуумметров класса 0,4 и 0,25. Взвешивание баллонов с исходным газом и продуктами, полученными в результате эксперимента, производилось на медицинских весах с ценой
Экспериментальное исследование конденсации SF6
При выращивании кристалла в цилиндре было отмечено появление шуги в верхней части кристалла на границе между жидкостью и паром. На фотографии видны эти образования и в описании эксперимента от 15.04.78 представлен состав шуги, извлеченной из кристаллизатора. По составу примесей и их количеству в составе шуги был сделан вывод о клатратном (или гидратном) характере этого образования. При конденсации элегаза также наблюдается образование шуги. Этот процесс происходит сначала в паровой фазе. На рёбрах конденсатора появляются мелкие кристаллы, хорошо сцепленные с поверхностью. При этом ухудшается производительность аппарата из-за уменьшения площади ребра и ухудшения теплообмена. После некоторой паузы, длительность которой составляет 4-6 часов с момента начала процесса конденсации, происходит образование шуги в виде мелких хлопьев белого цвета во всём объеме сконденсированной жидкости. Дальнейшее развитие процесса образования шуги происходит с объединением мелких хлопьев в шарообразные конгломераты и всплытие их на поверхности жидкой фазы в виде белых шариков диаметром 6-8 мм, внешне очень похожих на вспененный пенополиуретан. В конечном итоге образовавшаяся шуга, обладая небольшой механической прочностью, забивает сечения трубопроводов и нарушает нормальное течение 187 процессов транспорта жидкой фазы, а при осуществлении ректификации элегаза забивает насадку и колонна «захлёбывается». Эффект «захлёбывания» ректификационной колонны автор неоднократно. наблюдал при экспериментальном исследовании низкотемпературной ректификации элегаза в период 1972-1974 годов.
Для экспериментальных исследований процесса конденсации была разработана модель конденсатора с возможностью визуального наблюдения процесса конденсации элегаза на потолочной оребрённой поверхности (рис. 60J. Кроме того, в экспериментальной модели конденсатора была предусмотрена возможность отбора проб жидкой и паровой фаз элегаза, контроля температур ребра конденсатора и регулирования интенсивности охлаждения рёбер конденсатора за счёт изменения площади контакта теплового моста с жидким азотом, непрерывно подаваемым в аппарат. В конструкции конденсатора предусмотрен также дренаж низкокипящих примесей через патрубок, расположенный в верхней части конденсатора. Контроль давления конденсации осуществлялся по показаниям образцового манометра, установленного на линии сброса лёгких примесей. Порядок выполнения эксперимента предусматривал отбор проб паровой и жидкой фаз элегаза в случае фиксированного уменьшения производительности конденсации из-за появления шуги на рёбрах. Измерение производительности виду это были мелкие светлые непрозрачные кристаллы. При увеличении давления конденсации они иногда исчезали, но затем вновь образовывались в произвольных точках смоченного ребра. Результаты эксперимента 20 августа 1982 года, приведённые в табл./9, являются иллюстрацией двух различных режимов конденсации. В первом случае, при давлении 0,7 МПа концентрация примесей в паре была такова, что её хватило для выпадения кристаллов шуги на рёбрах конденсатора, которые визуально наблюдались. Во втором случае концентрация примесей в жидкости и паре существенно меньше. Температура ребра и давление пара ниже. Однако шуги на ребрах не отмечено, что свидетельствует о том, что появление кристаллов больше зависит от концентрации примесей, нежели от температуры. Во втором случае очевидно, что концентрация примесей образующих шугу на рёбрах конденсатора, была недостаточна. Образование шуги на рёбрах при относительно высоком давлении, вызывается температурным градиентом, существующим вблизи охлаждённой поверхности. Его величина и определяет размер кристаллов шуги на рёбрах, но при обязательном условии достаточности концентрации примесей, образующих шугу. При наблюдении кристаллизации в цилиндрическом сосуде (гл.2) отмечено, что её образование начинается в месте контакта жидкости с охлаждённой стенкой кристаллизатора и развивается, по мере охлаждения жидкости ещё до начала кристаллизации.
При наличии шуги сбросы пара в процессе конденсации малоэффективны в отношении примесей, вошедших в состав шуги. Происходит их консервация до момента отогрева, после чего количественный состав примесей восстанавливается до первоначального. В первую очередь это относится к СОг. Эта примесь, среди других примесей в элегазе, занимает особое место. В случае, если углекислоты достаточно, чтобы образовать шугу и есть для этого условия, то образование шуги происходит и остаточное содержание СОг в жидкой фазе элегаза невелико - 0,04%об, а в паре ещё меньше -0,028% об. Если условий для образования шуги нет, то CQj ведёт себя как низкокипящая примесь, довольно эффективно удаляемая вместе с низкокипящими примесями при дренаже пара. Однако степень разделения при этом может оказаться недостаточной для исключения образования шуги при дальнейшем понижении температуры., и неизбежном увеличении содержания СОг в паре. В наиболее общей оценке примесных газов в SF6, сделанной по кривым насыщения, к низкокипящим примесям можно отнести азот, кислород, CF4 и СОг, поскольку их кривые насыщения расположены левее. Остальные примеси можно считать вышекипящими по отношению к SF6. Однако, как следует из табл. 20 , по результатам эксперимента от 9 и 13 декабря 1982 года, видно, что примеси НгО, СзР6 и C4F6, минеральные масла (по М/е 43 и 41) ведут себя как низкокипящие, поскольку их концентрация в паре выше, чем в жидкости. Причём, это повышение сохраняется и при
