СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ УПСГ

Одноступенчатая УПСГ (рис. 70) включает грузовой танк Т, из которого пары груза через отделитель жидкости ОЖ всасываются одноступенчатым компрессором К. Далее сжатые в компрессоре пары направляются в конденса­тор, где они охлаждаются и конденсируются в результате теплообмена с забортной водой. Образовавшийся жидкий конденсат груза скапливается в сборнике жидкости СЖ или ресивере, после чего через регулирующий вентиль РВ, дросселируясь до давления груза в танке, сбрасывается обратно в грузовой танк.

Рис. 70. Одноступенчатая установка повторного сжижения

На диаграмме Молье цикл одноступенчатой УПСГ выглядит так, как показано на рис. 71.

Пусть точка 1 характеризует состояние насыщенных паров над поверхностью груза в танке. Тогда линия 1—2 будет отображать перегрев паров груза в куполе танка и во всасывающей магистрали компрессора, включая отделитель жидкости. Сопротивлением во всасывающем трубопроводе в этом и последующих примерах для облегчения расчетов можно пренебречь. Линия 2—3 иллюстрирует сжатие паров груза в компрессоре до конечного давления нагнетания р н и температуры нагнетания tн.

В конденсаторе происходит снятие перегрева паров груза, т. е. их охлаждение до температуры конденсации (линия 3—4) и сама конденсация охлажденных паров (4—5), которая происходит при давлении конденсации р K и непосредственно с ним связанной температуре конденсации t K.

Линия 5 —6 отображает процесс дросселирования в дросселе регулирующего клапана.

Таким образом, в грузовой танк возвращается паро-жидкостная смесь, процентное соотношение пара и жид­кости в которой можно оценить по кривой постоянного паросодержания (кривая «сухости» пара) X = const, про­ходящей через точку 6. Возвращенная в танк часть жидко­го груза под воздействием теплоты из окружающей среды вновь закипает (линия 6—1), и цикл повторяется.

Рассмотрим работу такой установки на конкретном примере.

Пример 1. Рассчитаем время работы УПСГ для понижения температуры груза до заданной величины.

Груз пропана....................................................... 1000 т

Температура груза в танке.................................... -5° С

Температура всасывания компрессора................. 6° С

Давление нагнетания компрессора................ 6,95 бара

Температура нагнетания компрессора.............. t н =55°С

Подача компрессора (производительность)..... 350 м³/ч

Заданная температура груза...................................-10°С

Атмосферное давление.......................................... 1 бар.

Для упрощения решения задачи разделим расчет вре­мени работы УПСГ на два этапа: построение цикла уста­новки по исходным данным и расчет времени работы ус­тановки.

Рис. 71. Цикл работы одноступенчатой

УПСГ

Построение цикла. По исходным данным построим гра­фик (рис. 72).

1. По температуре груза в танке -5° С определяем аб­солютное давление всасывания р0 = 4,06 бара (абс) и на­носим на диаграмму Молье нижнюю барометрическую границу цикла.

2. По давлению нагнетания компрессора рн = 6,95 бара (манометрическое) наносим верхнюю барометрическую границу цикла р к = 7,95 бара (абс).

3. На пересечении изобары р0 = 4,06 бара и изотермы t BC= 6° С определяем точку 2, характеризующую состоя­ние паров на всасывании компрессора. Поскольку исполь­зование диаграммы Молье, имеющейся в судовой документации, представляет некоторые трудности из-за мелкого масштаба, для решения задач проще использовать таблицы или графики термодинамических характеристик Грузов. В нашем случае плотность перегретых паров определим по соответствующему графику (см. Приложение 1), вход в который производится по нижней шкале (температура паров). На левой шкале (плотность пара) выбираем

значение в кг/м³, соответствующее точке пересечения значения температуры и кривой абсолютного давления паров.

4. Пересечение изобары р K = 7,95 бара и изотермы нагнетания t H = 55° С дает точку 3, характеризующую состояние паров груза после их сжатия в компрессоре.

5. Точки 4 и 5 лежат на пересечении верхней барометрической границы цикла с правой и левой пограничными кривыми соответственно.

6. Наконец, точка 6, характеризующая состояние парожидкостной смеси, сбрасываемой в грузовой танк, лежит на пересечении перпендикуляра, опущенного из точки 5 на нижнюю барометрическую границу цикла. Через эту точку проходит линия постоянного паросодержания Х = 0,18, Рис. 72. Построение цикла для примера 1

по которой можно оценить эффективность работы

рассматриваемой УПСГ.

Даже при весьма благоприятных внешних температурных факторах t к = 18° С (определяется по давлению конденса­ции) и t 0 = —5° С, всего лишь 82% общего количества всасываемого пара возвращается в танк в виде жидкости, остальная же часть — в виде пара. Состояние жидкости в грузовом танке оценивается точкой 7, лежащей на пересе­чении t 0 = -5° С с левой пограничной кривой.

Расчет времени, необходимого для понижения температуры груза до заданной. Время Т, необходимое для пониже­ния температуры груза до заданной, определяется как частное от деления общего количества теплоты, которую необ­ходимо отвести из груза QОТВ, на холодопроизводительность УПСГ Q0 (в терминологии холодильной техники):

Т= QОТВ / Q0.

Удельная энтальпия жидкого пропана при температуре t0 = -5° С h7 = 511,6 кДж/кг (из таблиц), а удельная энтальпия жидкого пропана при tзад = -10°С h8 = 499,5 кДж/кг. Точка 8 находится на пересечении изотермы h8= -10° С с левой пограничной кривой. Количество теплоты, которое необходимо отвести от груза, чтобы понизит! его температуру до заданной величины, составит

Qзад =(h7 – h8) • mr = (561,6 – 499,5) • 1000 • 10³ кг = 12100 • 10³ кДж

Количество теплоты, необходимое для преобразования 1 кг парожидкостной смеси в точке б в насыщенный пар в точке 7, определяется как разность энтальпий (h1 – h6). Поэтому холодопроизводительность установки

Q = (h7 – h8) • Vs • ρs,

где Vs — подача компрессора, ρs — плотность пара на всасывании компрессора (точка 2).

Плотность пара можно определить или по диаграмме Молье, что достаточно неточно, используя уравнение состояния идеального газа, или же из таблиц и графиков (см. Приложение 1).

Q 0 = (893,2 - 570,2) • 350 • 8,3 = 938315 кДж/ч.

Итак, время, необходимое для понижения температуры пропана от -5° С до -10° С, составит:

Т= QОТВ / Q0 = (12 100 • 10³): 938 315 = 12,9 ч ≈ 13 ч.

Пример 2. Рассчитаем работу одноступенчатой УПСГ с регенеративным теплообменником РТО для пониже ния температуры груза до заданных параметров (рис. 73).

В расчетах будем использовать данные предыдущего примера. Как уже упоминалось, эффективность работ! любой УПСГ определяется тем, какая часть всасываемого пара возвращается в танк в виде жидкого груза. Для увели чения возврата массовой доли сжиженного газа в грузовой танк используется переохлаждение конденсата, когд фактическое давление в конденсаторе превышает давление насыщенного пара для данной температуры перед ег дросселированием в регулирующем клапане.

Наиболее простое конструктивное решение идея переохлаждения конденсата нашла благодаря включению в сиcтему сжижения регенеративного теплообменника РТО. Конденсат направляется из ресивера в РТО по змеевик, который охлаждается холодными парами груза (с температурой, соответствующей температуре груза в танке).

Пусть переохлаждение конденсата в РТО достигает 10° С. Тогда для наших значений (см. пример 1) температур жидкого пропана на выходе из РТО составит 8° С и, соответственно, энтальпия h9 = h6‘ = 544,2 кДж/кг (рис. 74).

Изменение цикла работы одноступенчатой УПСГ показано на диаграмме Молье линией 5—5' — переохлаждение конденсата в РТО, дросселирование в РВ — 5'—6', дополнительный перегрев пропана в РТО — 2—2', сжатие компрессоре — линией 2'—3'.

Как видно из рис. 74, переохлаждение конденсата смещает точку 6, характеризующую состояние возвращаемо в танк парожидкостной смеси, влево, увеличивая тем самым в ней относительную массу возвращаемой жидкос1 до 90%.

Рис. 73. Одноступенчатая УПСГ с регенеративным теплообменником

Изменение цикла УПСГ вызывает рост ее холодопроизводительности, что сокращает время, необходимое для понижения температуры груза до заданных параметров.

Подставив новые численные значения энтальпии h6‘ в формулу для определения холодопроизводительности уста­новки, получим

Q0 = (h1 – h6) • Vs • ρs ⁼ (893,2 – 544,2) • 350 • 8,3 = 1 013 845 кДж/ч.

Время, необходимое для понижения температуры груза с -5° С до -10° С,

Т= QОТВ / Q0 = (12 100 • 10³): 1 013 845= 11,9ч

Таким образом, 1 ч мы сэкономили на пони­жении температуры в танке при использовании РТО.

Согласно правилам технической эксплуата­ции судовых УПСГ, при нормальной работе гру­зового конденсатора температура конденсации груза

tК = tЗ.В.СР +(6—7)°C,

а температура забортной воды

tЗ.В.СР = tBX – tВЫХ

Переход с одноступенчатого сжатия на двух­ступенчатое. Режим работы УПСГ в значитель­ной степени зависит от температуры забортной воды, охлаждающей конденсатор, температуры транспортировки груза, а также от рода самого груза. Так, например, повышение температуры забортной воды вызывает рост

температуры конденсации груза, а с ней — Рис. 74. Цикл одноступенчатой УПСГ с РТО

повышение давления конденсации и давления нагнетания компрессора. И, наоборот, понижение температуры транспортировки груза уменьшает давление на всасывании компрессора. Во всех случаях рост перепада давлений на поршень компрессора отрицательно сказывается как на его работе, так и компрессорной установки в целом. При нахождении поршня компрессора в верхней мертвой точке в объеме, образованном доныш­ком поршня и нижней поверхностью крышки цилиндра (мертвом пространстве), остаются сжатые пары, которые расширяются при обратном ходе поршня и занимают часть полезного объема цилиндра. Чем выше давление в конце сжатия, тем большее количество паров остается в мертвом пространстве и тем больший полезный объем цилиндра они занимают при расширении, уменьшая тем самым действительную подачу компрессора. Понижение давления всасыва­ния также уменьшает полезный объем цилиндра компрессора, поскольку для всасывания паров требуется большее расширение пара и, следовательно, большая часть полезного объема цилиндра.

Все фирмы — производители компрессоров указывают предельные значения разницы давления нагнетания и вса­сывания для каждого компрессора. Так, фирма «Зульцер» для своих поршневых компрессоров, которые использу­ются в установках повторного сжижения, определяет предельное значение разницы давлений всасывания и нагнетания в 6,5 бар, превышение этого параметра приводит к значительному возрастанию объемных потерь и резкому снижению подачи компрессора.

В дальнейшем, при решении практических задач, будем использовать ограничения, установленные для компрес­соров «Зульцер».

Пример 3. Выполним анализ барометрических границ различных режимов работы одноступенчатой УПСГ.

1. Температура перевозки пропана t0 = —5° С, а температура забортной воды в конденсаторе t з.в = 8°С. Для такой температуры воды температура конденсации пропана составит tk = tз.в +10° С = 18° С. Из таблиц термодинамических характеристик пропана находим

tk = 18° С => р k = 7,95 бара;

t0 = -5° С => р 0 = 4,06 бара.

Отсюда ∆ p = pk - p0 = 3,89 < ∆ pдоп = 6,5 бара.

Как видно из примера, работа одноступенчатой УПСГ на пропане протекает в установленном температурном режиме нормально.

2. Температура перевозки пропана t0 = -40° С, а температура забортной воды tз.в = 27° С, для которой температу­ра конденсации пропана в грузовом конденсаторе составит tk = tз.в + 10° С = 27°С + 10°С = 37°С. По аналогии с предыдущим примером определяем давление всасывания и давление нагнетания:

tк = 37° С => pk = 12,8 бара;

t0 = -40° С => p0 = 1,11 бара.

∆ p = pk - p0 = 11,69 > ∆ pдоп = 6,5 бара.

Как видно из примера, перевозка пропана осуществляется при использовании одноступенчатой УПСГ в рассмат­риваемом температурном режиме, который намного превышает допустимые пределы завода-изготовителя.

3. Для приведенной выше температуры забортной воды t^= 27° С и конденсации ^ = 37° С определим нижнюк барометрическую границу, при которой допускается транспортировка пропана. Итак, для

tk = 37° С => pk = 12,8 бара;

p0 = pk -∆ pдоп = 12,8 - 6,5 = 6,3 бара.

Для пропана абсолютное давление 6,3 бара соответствует температуре груза 11° С, т. е. условия транспортировк» груза не выполняются (-40°С).

Рассмотренные примеры дают представление об одной из основных причин, которая послужила толчком к конст руированию более сложных УПСГ.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: