Підвищення ефективності кріогенних установок шляхом застосування багатокомпонентних холодоагентів

Анотація

У статті досліджено особливості функціонування кріогенних установок, що працюють на основі дросельного циклу Лінде із застосуванням сумішевих холодоагентів. Проаналізовано сучасні підходи до отримання низьких температур у діапазоні 120–73 К та визначено роль ефекту Джоуля–Томпсона у формуванні холодильного процесу. Розглянуто принцип роботи системи з рекуперативним теплообмінником, у якій охолодження досягається за рахунок ізоентальпійного розширення робочого тіла. Особливу увагу приділено використанню багатокомпонентних холодоагентів, до складу яких входять вуглеводні та інертні гази. Встановлено, що введення компонентів з різними температурами кипіння забезпечує протікання фазових переходів у широкому температурному інтервалі, що сприяє підвищенню термодинамічної ефективності циклу при знижених тисках дроселювання. Показано, що застосування сумішевих холодоагентів дозволяє покращити енергетичні характеристики установки, підвищити її надійність та експлуатаційний ресурс. Виконано аналіз існуючих досліджень, присвячених оптимізації параметрів кріогенних установок та визначенню втрат ексергії, зокрема у рекуперативних теплообмінниках. Обґрунтовано необхідність точного визначення теплофізичних властивостей сумішей, оскільки принцип адитивності не завжди є коректним для багатокомпонентних систем. На основі експериментальних досліджень визначено склад ефективного холодоагента, що включає метан, етилен, пропан та ізобутан. Підкреслено важливість розроблення узагальнених кореляцій для розрахунку теплофізичних параметрів як окремих компонентів, так і сумішей у цілому. Отримані результати можуть бути використані при проєктуванні та оптимізації кріогенних установок з метою підвищення їх енергоефективності та надійності