Холод при перекачуванні газу.

У газовій промисловості штучний холод застосовують для розділення природного газу по окремим фракціям (метан, етан, пропан, бутан, пентан та ін.), а також при перекачуванні природного газу в охолодженому (t = (-70..-75)°С, Р = (80..120) кг/см²) або в зрідженому (t = (-120±15)°С, Р = (120..45) кг/см²) стані.

Перекачування газу в охолодженому і зрідженому стані по трубопроводам завдовжки не менше 800км (d_тр = 1420мм) дозволяє збільшити їх пропускну спроможність в 3...4 рази і в 3,5...4 рази зменшити витрату металу в порівнянні з транспортом неохолодженого газу.

Максимальна температура охолодженого газу для "коротких" трубопроводів рівна середньорічній температурі ґрунту.

Система перекачування газу в охолодженому стані включає наступні ланки: у промислів – дотискна компресорна станція, далі – головний завод охолодження газу, далі через кожні приблизно 150 км. стоять компресорні станції з установками доохолодження газу.

Ланцюг перекачування зрідженого газу включає завод зріджування, далі – насосні станції; системи доохолодження встановлюють приблизно на кожній 3-й насосної станції, при підігріві зрідженого газу на 15°.

Найбільш проста схема зріджування природного газу – 3-х каскадна. Розглянемо її спрощений варіант (без теплообмінників і допоміжних апаратів), зображений на мал.46.

Пропановий ступінь каскаду, t₀ = (-40...-45)°С.

Етановий (етиленовий) ступінь каскаду t₀ = (-85...-90)°С.

Метановий ступінь каскаду, t₀ залежить від складу природного газу, звично t₀ = (-140...-150)°С.

Мал.46. Схема зрідження природного газу: 1 – пропановий компресор; 2 – етановий (етиленовий) компресор; 3 – метановий компресор; 4 – компресор природного газу; 5 – конденсатор пропана і теплообмінники, що охолоджуються водою; 6 – багатопотоковий теплообмінник, що охолоджується пропаном; 7 – сепаратор пропана, бутану та інших важких вуглеводнів; 8 – теплообмінник (3-х потоковий), охолоджуваний етиленом (етаном); 9 – теплообмінник, що охолоджується метаном; 10 – ресивер – сепаратор зрідженого природного газу; 11 – насос зрідженого природного газу; 12 – сховище зрідженого природного газу; а – трубопровід подачі природного газу; b – трубопровід природного газу на котельну установку (вироблення пари Н2О) і газовий турбогенератор.

 

 

На всіх ступенях каскаду встановлені мотокомпресори (турбокомпресори з приводом від парових турбін). Пара виробляється котельною установкою, що працює на природному газі. На природному газі працює турбогенератор, що виробляє електроенергію для турбокомпресора природного газу та інших потреб. Особливість схеми – застосування багатопотокових теплообмінників.

 

 

Розділ 7.

Холод в будівельній техніці

Замороження ґрунтів.

Мал. 47. Схема установки заморожувальної колонки

Штучне замороження водоносних ґрунтів застосовують при будівництві тунелів, колекторів, шахт, метрополітенів, а також для створення протифільтраційних завіс в насипних греблях, при ремонті гребель і ін.

Холод використовують для відведення теплоти схоплювання бетону при будівництві гребель ГЕС (щоб не викликати неприпустимої температурної напруги).

Основний елемент – заморожуюча колонка (мал.47). Це теплообмінник типу "труба в трубі". У внутрішню трубу подають СаCl₂ (водний розчин) з t_вх = (-20...-25)°С. Діаметр внутрішньої труби d_вн = (32...50)мм залежно від висоти колонки. Замороження ґрунтів ведуть, якщо товщина водоносного ґрунту більш, ніж 10м. (мал.48).

Після змикання льодоґрунтових циліндрів перемичка між ними товщає швидше, ніж збільшується діаметр льоду на трубі і поступово товщина льоду вирівнюється (є метод розрахунку). R – радіус виробітки.

Однорядне розміщення заморожуючих колонок застосовують при глибині стовбура до 400м.

Колонки заглиблюють у водотривкий ґрунт на глибину (2...3) м, або роблять суцільну льодову подушку у підставі шахти.

Товщина льодоґрунтового шару визначається з вимог міцності.

Мал. 48. Схема заморожування ґрунту

При споруді крупних шахт використовують стаціонарні заморожувальні станції, що працюють на амоніаку (Q₀ £ 3000кВт) або R22 (Q₀ £ 600кВт).

При холодильних потужностях нижче 250 кВт застосовують пересувні заморожувальні станції, напр. ПХС-100 розміщена на 2-х причепах шасі МАЗ.

Переваги пересувних заморожувальних станцій:

• дешевше стаціонарних;
• можуть багато разів використовуватися;
• швидкий монтаж;
• висококваліфіковане обслуговування, оскільки у них – постійний обслуговуючий персонал.

Існують підземні пересувні заморожувальні станції, змонтовані на 44-х рудникових платформах.

Замороження ґрунту рідким азотом ведуть за допомогою подібних описаним колонок. У них рідкий азот подають через внутрішні перфоровані трубки окремими цівками, щоб не було гідростатичного стовпа. По одній колонці (рідинній) протікає і кипить азот, а по сусідній перегрівається пара азоту від –196°С до (-20...-30)°С. Ці спарені колонки перемикають під час роботи, тому кожна колонка є то паровою, то рідинною.

Залежно від температури, вологості і властивостей ґрунту витрата рідкого азоту рівна (0,5...0,9) тонн/м³ ґрунту.

Охолодження за допомогою N₂ йде в 5...7 раз швидше розсолу.

Льодоґрунтові сховища для рідких вуглеводнів. Зріджені природні гази і їх компоненти зберігають при тиску 1 атм. у спеціальних місткостях, забезпечених ізоляцією. Це складні і дорогі конструкції.

Найкраще зберігати рідкі вуглеводні в підземних місткостях, навколо яких створюють захисну льодоґрунтову оболонку. Досвід показав, що нестаціонарний режим, тобто збільшення товщини льодоґрунтового шару продовжується протягом 5...7 років. Пара, що утворюється за рахунок зовнішніх тепло приливів, конденсується холодильною машиною. Звично підземне сховище є циліндровим котлованом з металевим ізольованим дахом.

Сезонодіючі установки для замороження ґрунтів застосовуються в районах вічної мерзлоти (при середньорічній температурі повітря нижче –5°С) для запобігання розтаванню ґрунтових гребель, для збереження вічної мерзлоти в районі доріг, споруд та ін.

Існують декілька типів пристроїв (мал.49), які у холодну пору року заморожують ґрунт за рахунок використання низької температур атмосферного повітря.

1-2 – повітряні. Швидкість повітря в трубах колонки (2...5) м/с. Підігрів повітря (7...20)°С. Розмір Н = (20...30) м.

3 – рідинні. Швидкість рідини дорівнює (0,05...0,4) м/с. (0,05 – при природній циркуляції).

4 – парорідинні (термосифони). Це найбільш ефективні пристрої. У нижній частині термосифону рідина (амоніак, хладони, пропан). У зимовий період надземна (оребрена) частина є конденсатором пари. Плівка конденсату стікає по нижній, підземній трубі, де випаровується. Літом циркуляція відсутня.

Мал. 49. Сезонодіючі заморожувальні пристрої

Охолодження бетонних споруд

Холод використовують для відведення теплоти схоплювання бетону при споруді гребель ГЕС (щоб не визвати неприпустимих температурних навантажень).

Процес твердіння бетону – екзотермічна реакція. Для відведення теплоти твердіння:

охолоджують складові (пісок, гравій);

додають роздроблений лід в бетономішалку;

у крупних масивних греблях встановлюють "намертво" в бетон колонки, по яким пропускають холодну воду або холодоносій.

Ремонт гребель ГЕС при появі у них течі виконують по наступній схемі:

1. Встановлюють заморожуючі колонки з боку водосховища згідно мал.50.
2. Наморожують крижаний щит.
3. Відкачують воду з колодязя.
4. Проводять ремонт греблі.

5. Мал. 50. Схема льодового захисту під час ремонту греблі ГЕС

   Розморожують і видаляють колонки.

Розділ 8.

Холод у машинобудуванні.

 

 

Обробка холодом після гартування різноманітних виробів.

Після обробки виробів з легованих і неіржавіючих сталей, а також сталевого ріжучого і мерильного інструменту в холодильній камері при температурі (-90...-100)°С підвищується їх механічна міцність, стабілізуються розміри.

Для різних металів обробку холодом проводять при температурах (-30...-120)°С.

Використовуються парокомпресорні і повітряні холодильні машини, рідкий азот, сухий лід.

Охолодження ванн анодування алюмінію.

Для цієї мети використовують одноступінчаті холодильні машини з проміжним холодоносієм (+5…-15)°С.

Гнуття труб із замороженою в них водою.

У порівнянні з іншими заповнювачами (пісок, каніфоль) цей спосіб дає кращі результати з овальності, радіусу загину і чистоті внутрішньої поверхні труб.

Труби охолоджують до (-25...-30)°С, щоб зменшити небезпеку часткового відтавання льоду при подальшому гнутті на згинальному верстаті.

Запресовування із застосуванням охолоджування охоплюючої деталі.

У порівнянні з нагрівом охоплюючої деталі забезпечує у ряді випадків кращу якість, а також натяг, що піддається попередньому розрахунку. Охолоджують – рідким азотом, рідше – сухим льодом або низькотемпературними холодильними машинами.

Кріплення оброблюваних деталей приморожуванням.

Зустрічаються випадки, коли укріпити оброблювану на верстаті звичайними способами (зокрема магнітним або приклеюванням) виявляється неможливим. Тоді деталь встановлюють у піддон з невеликим шаром води, яку заморожують. Все кріпиться на верстаті. Емульсія, що подається на робочий стіл, повинна безперервно охолоджуватися до негативних температур.

Осушення стислого повітря холодильними машинами.

Існує 2 методи осушення повітря:

• охолодження повітря до температури нижче за точку роси;
• використання твердих адсорбентів.

Розглянемо перший метод.

Температура t_w' повинна бути нижче за температуру t_p (точка роси повітря, що осушається).

Максимальне осушення повітря при температурі поверхні t_w.

При температурі t_w" < t_w осушувальна спроможність апарату збільшується, проте значна частина вологи випадає в потоці пересиченого повітря. Для утримання цієї вологи потрібні спеціальні сепаратори.

Для ефективного осушення повітря з високою відносною вологістю використовують його попередній підігрів, напр. конденсатором холодильної машини.

Це процес 1-2-3.

Мал. 51. Вплив tw на осушувальну властивість повітря

 

 

Видно, що d₁ - d₂ > d₁ - d_2'.

Перевага попереднього підігріву – велика осушувальна здатність, недолік – додаткові енерговитрати.

Вологу з повітря конденсують на поверхневих або контактних апаратах. Поверхневі апарати – повітроохолоджувачі гладкотрубні або оребрені з великою ефективністю ребра Е. Контактні апарати – скрубери різних конструкцій з розбризкуванням охолоджуючої рідини або із зрошуваною насадкою.

Для зменшення енерговитрат застосовують рекуперативні теплообмінники між охолодженим осушеним і теплим атмосферним повітрям. Витрата енергії знижується до 50% в цьому випадку.

Мал. 52. Осушення повітря з попереднім підігрівом його

 

 

Розділ 9.