Перспективные технологии XXI века: жидкий азот как экологически чистый хладагент

Аннотация

В последнее время в связи с ужесточением экологических требований к современной холодильной технике все более актуальной становится проблема поиска и создания экологически безопасных способов получения холода. Одним из перспективных направлений в этой области являются низкотемпературные технологии на основе жидкого азота.

Полный текст

Замкнутые системы азотного охлаждения

В настоящее время в России созданы и эксплуатируются безма- шинные проточные (расходные) системы азотного охлаждения. По сравнению с традиционной холодильной техникой они отличаются высокой надежностью в эксплуатации и скоростью замораживания, обеспечивающей практически полное сохранение качества и внешнего вида охлаждаемого продукта.

Однако проточные системы азотного охлаждения имеют ряд недостатков, препятствующих их широкому применению:

• относительно невысокая рентабельность из-за высокой стоимость жидкого азота;

• однократное использование ценного криоагента - азота с последующим выбросом его в атмосферу и т.д.

Область применения проточных систем азотного охлаждения ограничивается в основном переработкой и хранением продуктов питания.

Практика показывает, что при существующем уровне цен на жидкий азот системы азотного охлаждения расходного типа целесообразно применять, только если потенциальный потребитель расположен в непосредственной близости от производителя дешевого жидкого азота и при этом имеется достаточно транспортных средств с криогенными емкостями. По мнению многих специалистов, проточные системы азотного охлаждения могут составить конкуренцию традиционным решениям только в случае снижения цены жидкого азота в 2 раза [1].

Характеристики низкотемпературных машин Стирлинга, применяемых для замкнутых систем сезонного охлаждения

Модель КГМ	Тип привода	Холодопроизводительность, кВт	Мощность электродвигателя, кВт	Масса машины, кг	Фирма- изготовитель
PLA-107 (1)	Кривошипно- шатунный механизм (КШМ)	0,87	11	250	Philips
PLA-433 (4)		3,5	40	1000
PPG-2500		25	120	5500
SGL-1 (1)	То же	0,7	11	250	Stirling Cryogenics
SGL-4 (4)		3,0	34	1000
Werkspoor (1)	Ромбический привод	9,2	НО	1600	Werkspoor
Werkspoor (2)	То же	18,4
Werkspoor (3)	КШМ	36	240	6000
Модель В (4)	КШМ	3,4	34		North | American 1 Philips 1
Модель С (1)		11,6	87
Модель D		46,9	352	7000
ЗИФ-1000	КШМ	1,0	17	500	М3 "Арсенал!
ЗИФ-2002		2,0	30	500
КГМ-9000/80	Ромбический привод	9,6	НО	1500	НПО I "Гелий-1 маш
К ГМ-1500/80		1,5	38	840
КГМ-15		6,0	70	3600

Однако проблема значительного удешевления и быстрого внедрения технологий с применением жидкого азота на территории Российской Федерации может быть решена путем применения замкнутых систем азотного охлаждения. Такие системы, разработанные специалистами ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологий» ВКА им. А.Ф. Можайского, включают процессы охлаждения объекта, регенерации и хранения жидкого азота. Это позволяет использовать холодильный потенциал жидкого азота при полном исключении безвозвратных потерь самого криоагента [3].

В замкнутых системах азотного охлаждения применены криогенные газовые машины (КГМ) Стирлинга (для переконденсации паров жидкого азота и исключения его безвозвратной потери). При использовании этих систем отпадает (или значительно сокращается) необходимость в постоянном приобретении и транспортировке большого количества жидкого азота, обеспечивается постоянное криогенное охлаждение при резком снижении потребления жидкого азота.

В настоящее время в России и за рубежом серийно выпускается достаточно много различных модификаций низкотемпературных высокоэффективных машин Стирлинга, работающих на температурном уровне жидкого азота, т. е. 77 К (-196 °C).

Основные технические характеристики зарубежных и отечественных низкотемпературных машин Стирлинга, которые могут быть использованы при создании замкнутых систем азотного охлаждения, представлены в таблице [2, 4, 6].

Уже создан необходимый научно-технический и патентный задел для создания замкнутых систем азотного охлаждения в кратчайшие сроки.

В отличие от применяемых до настоящего времени расходных систем с жидким азотом замкнутые системы азотного охлаждения с КГМ Стирлинга для термостатирования объектов имеют следующие преимущества:

•   автономность (нет необходимости постоянной дозаправки системы жидким азотом, возможна эксплуатация без обслуживающего персонала);

•    большая продолжительность работы, гарантируемая высоким ресурсом современных КГМ Стирлинга;

•    малые масса и габариты (небольшой исходный объем жидкого азота при продолжительном сроке эксплуатации) и т.д.

Области применения замкнутых систем азотного охлаждения

Термостатирование объектов.

На рис. 1 представлена принципиальная схема автономной замкнутой системы азотного охлаждения для термостатирования объектов с одновременной выработкой электроэнергии (патент № 2159910).

Система работает следующим образом. Жидкий азот из емкости 1 подается погружным центробежным насосом 2 в воздухоохлаждающую панель 4, расположенную в теплоизолированном охлаждаемом объеме 3, охлаждает его до нужной температуры, при этом сам переходит в газообразное состояние. Затем азот расширяется, производя полезную работу, в расширительных турбинах 5 и 8 высокого и низкого давлений с промежуточным подогревом в теплообменнике 7.

Из расширительной емкости 10 азот засасывается в конденсатор 12 криогенной холодильной машины (КХМ) Стирлинга 11, где конденсируется, переходя в жидкую фазу, и сливается самотеком в сосуд Дьюара 14, из которого насосом высокого давления 15 снова подается в емкость 1. Нагретая рабочим телом КХМ охлаждающая жидкость из холодильника 13 подается для охлаждения в теплообменник 18 (теплообмен с окружающей средой) и далее в теплообменник 7 (охлаждение азотом). Привод холодильной машины Стирлинга 11 может осуществляться от электродвигателя, специального теплового двигателя или двигателя транспортного средства.

Рис. 1. Автономная замкнутая система азотного охлаждения для термостатирования объектов с одновременной выработкой электроэнергии: азотный контур: 1 — емкость с жидким азотом; 2 — погружной центробежный насос; 3 — теплоизолированный охлаждаемый объем; 4 — воздухоохлаждающая панель; 5 — расширительная турбина высокого давления; 6 — электрогенератор на одном валу с турбиной; 7 — теплообменник подогрева азота; 8 — расширительная турбина низкого давления; 9 — электрогенератор; 10 — расширительная емкость; 11 — криогенная холодильная машина Стирлинга; 12 —конденсатор КХМ; 13 — холодильник КХМ; 14 — сосуд Дьюара; 15 — насос высокого давления; 16 — обратный клапан. Контур охлаждения криогенной машины: 17 — насос; 18 — теплообменник; 19 — трубопроводы

Хранение нефтепродуктов. Одна из специфических особенностей хранения нефтепродуктов (бензина, керосина, дизельного топлива и др.) - испаряемость легких фракций углеводородов (ЛФУ), что является основной причиной технологических потерь ценного сырья, вредных выбросов в окружающую атмосферу и ухудшения качества моторного топлива. Так, за одно наполнение вертикального резервуара вместимостью 5000 м³ теряется в среднем 4 т бензина, так как каждый кубический метр паровоздушной смеси в таком резервуаре содержит летом около 0,56 кг бензиновых паров, а зимой - до 0,35 кг. В зависимости от условий (температуры окружающей среды, объема газового пространства в резервуаре и т.д.) концентрация бензина в паровоздушной смеси может повыситься до 1,2 кг в 1 м³.

Исключение потерь нефтепродуктов возможно при применении замкнутой системы азотного охлаждения на основе криогенной машины Стирлинга в установке для улавливания легких фракций углеводородов с барботажем ЛФУ, подробное описание работы и принципиальная схема которой даны в [5].

Хранение криогенных жидкостей. Одним из наиболее перспективных путей борьбы с потерями криогенных жидкостей (жидкого кислорода, сжиженного природного газа, жидкого водорода и т.д.) при их длительном хранении является применение систем долговременного (бездренажного) хранения.

На рис. 2 представлена принципиальная схема установки для долговременного хранения криогенных жидкостей на основе азотного экрана с использованием системы азотного охлаждения замкнутого типа (патент РФ № 2150057).

В состав установки входит криогенная машина Стирлинга 1 с рабочим телом - гелием, замкнутый контур азота, соединяющий теплоизолированный сосуд 2 с жидким азотом с конденсатором 10 КГМ Стирлинга. Внутри сосуда с жидким азотом 2 расположен теплоизолированный сосуд с сохраняемой криогенной жидкостью 3, защищенной от внешних теплопри- токов жидким азотом.

За счет внешних теплопритоков в верхней части сосуда 2 образуются пары азота. При достижении определенного давления срабатывает предохранительный клапан 8, что служит сигналом для включения КГМ Стирлинга. В результате этого по линии 6 газообразный азот высокого давления через заборное устройство 7 и предохранительный клапан 8 проходит в дроссельный клапан 9, предварительно охлаждается, а затем поступает в конденсатор 10 КГМ Стирлинга. Переход паров азота в жидкую фазу в конденсаторе 10 КГМ создает необходимый перепад давлений в линии 6. Сжиженный азот по линии 4 через обратный клапан 5 сливается в теплоизолированную емкость 2.

Рис. 2. Установка долговременного хранения криогенных жидкостей на основе азотного экрана:1 — криогенная машина Стирлинга; 2 — сосуд с жидким азотом; 3 — криогенная жидкость; 4 — линия жидкого азота; 5 — обратный клапан; 6 — линия газообразного азота; 7 — заборное устройство; 8 — предохранительный клапан; 9 — дроссельный клапан; 10— конденсатор криогенной машины Стирлинга

Рис. 3. Криогенный комплекс по производству высококачественного цемента:1 — криогенная машина Стирлинга (КГМ); 2 — конденсатор КГМ; 3 — емкость для хранения жидкого азота; 4 — линия слива жидкого азота; 5 — линия подачи жидкого азота; 6 — насос высокого давления; 7 — помольный криостат; 8 — приводной ролик криогенной мельницы; 9 — электродвигатель; 10 — линия подачи выпара жидкого азота из криостата; 11 — механический фильтр; 12 — дроссельный вентиль; 13 — патрубок для периодического соединения криостата с линией подачи жидкого азота; 14 — патрубок для периодического соединения криостата с линией подачи выпаражидкого азота; 15 — отверстие со съемной крышкой; 16, 17— запорные вентили

Строительное дело. Жидкий азот давно применялся в строительном деле в основном для замораживания грунтов при подземной проходке туннелей. Разработанные специалистами ООО «ИИЦ «Стирлинг-технологий» ВКА им. А.Ф. Можайского замкнутые системы азотного охлаждения позволяют значительно расширить область применения жидкого азота в строительстве. Так, совместно со специалистами «ЛенСпецСМУ» была разработана технология криопомола для производства высокомарочных и быстротвердеющих марок цементов (патенты РФ № 2184614, 2191632). Криоизмельчение в среде жидкого азота является новым технологическим приемом получения высокомарочных и быстротвердеющих цементов на основе рядовых клинкеров.

Схема криогенного комплекса по производству высококачественного цемента на основе криопомола (патент РФ № 2191632) представлена на рис. 3.

Из емкости 3 с помощью насоса 6 по линии подачи жидкого азота 5 через патрубок 13 и запорный клапан 16 жидкий азот поступает в помольный криостат 7, куда предварительно через отверстие 75 загружаются измельчающиеся материалы и шихта. По окончании заправки криостата 7 жидким азотом клапан 16 закрывается и линия 5 отсоединяется от криостата. Электродвигатель 9 через приводной ролик 8 вращает криостат 7 в течение времени, необходимого для получения высококачественного цемента. При этом жидкий азот испаряется. После остановки криостата к нему через патрубок 14 с закрытым запорным клапаном 17 подсоединяется линия выпара 10. Клапан 17 открывается, и выпар жидкого азота через механический фильтр 77 и дроссельный вентиль 72 поступает по линии 10 в конденсатор 2 криогенной машины Стирлинга 7. Значительная часть выпара жидкого азота сжижается и самотеком сливается в емкость 3. Запорный клапан 77 закрывается, и линия 10 отсоединяется от криостата. Полученный цемент выгружается из криостата 7 через отверстие 75, после чего в криостат загружается новый исходный материал, к патрубку 13 подсоединяется линия 5, открывается клапан 16 и рабочий цикл повторяется.

Использование высокоэффективных криогенных машин Стирлинга и созданных на их основе замкнутых систем азотного охлаждения позволит уже в ближайшем будущем значительно расширить область применения жидкого азота в различных отраслях народного хозяйства: промышленности, медицине, холодильной технике, строительстве и т.д. Открытие в Российской Федерации больших запасов (до 340 млрд м³) подземных высокоазотных газов также будет способствовать внедрению технологий на основе жидкого азота.