Ionium Cryogenic ❄️

💡 Криогенные агенты — рабочие вещества, температура кипения которых при нормальных условиях (760 мм рт.ст.) существенно меньше температуры окружающей среды.

К таким веществам относятся кислород, азот, аргон, водород, неон, криптон, ксенон и гелий.

💭 Не каждый агент применяется повсеместно в технологических процессах, но у каждого своя роль в природе.

✏️ Криогенные агенты, помещенные в газоразрядную трубку, в ионизированном состоянии (1,8 кВ, 15 мА, 35 кГц) имеют особый уникальный набор спектральных линий, благодаря которым удается анализировать состав звезд и других небесных тел. Человеческий глаз слабо дифференцирует цвета спектральных линий агентов в газоразрядной трубке, визуализируя лишь наиболее яркие цвета для этой среды.

😉 Криогенные агенты в ионизированном состоянии представлены в зацикленном видео-приложении к посту. Название экосистемы "Ionium" и цветовые решения, применяемые для ее визуального оформления (темный сланец, оранжевый, светлый серый) - формализованная гармония природы.

#UnrealEngine #цифровая_наука

💡 Струйные аппараты: продвинутый уровень

✔️ На сайте ionium.ru
размещена статья "Струйные аппараты: продвинутый уровень",

https://ionium.ru/articles/struynye-apparaty-prodvinutyy-uroven

в которой рассматриваются принципиальная схема, термодинамические основы, классификация, методы расчета и конструкции струйных аппаратов, преимущественно эжекторов.

✍️ Содержание статьи
🔹 Принципиальная схема и термодинамика струйного аппарата.
🔹Классификация струйных аппаратов.
🔹Методы расчета равнофазных струйных аппаратов и их анализ.
🔹Конструкции равнофазных струйных аппаратов.

🔍 Рассматриваемые темы
🔹 Принцип работы и термодинамический процесс на диаграмме i-s, производство энтропии и минимальные затраты работы для компенсации ее производства.
🔹 Классификация по агрегатному состоянию, упругим свойствам и степени сжатия рабочей среды.
🔹Сравнение методов расчета: классический, основанный на уравнении импульсов, специальный.
🔹 Обзор конструкций, включая многоступенчатые аппараты, эжекторы с пилоном и регулирующие устройства.

✏️ Краткая выжимка по разделам

🔹 Принципиальная схема и термодинамика
Описание работы газового эжектора. Введение ключевого параметра — коэффициента инжекции и формулы для КПД на основе эксергетического подхода.

🔹 Классификация
Деление аппаратов на равнофазные, разнофазные и с изменяющейся фазностью. Внутри равнофазных — выделение (газо-)пароструйных компрессоров, эжекторов и инжекторов в зависимости от степени сжатия.

🔹Методы расчета
Сравнение трех методов: классического (универсального), основанного на уравнении импульсов (для поиска предельных параметров) и уникального (для нахождения оптимальной степени повышения давления). Приведены допущения и особенности каждого из рассмотренных методов.

🔹 Конструкции
Практические примеры: технологичный газовый эжектор со сменным соплом, многоступенчатые аппараты с общим корпусом, эжектор с центральным телом-пилоном для лучшего перемешивания, устройства для регулирования расходов и другие схемы для повышения КПД и надежности.

#струйные_аппараты #эжекторы

💡 Онлайн инструменты для выполнения теплотехнических расчетов

✔️ На сайте экосистемы ionium.ru
обновлён раздел с калькуляторами, построенными на основе библиотеки CoolProp.

https://ionium.ru/fluids

🌐 В данный момент в разделе имеются калькуляторы для:

🔹 расчета теплофизических параметров рабочих веществ (как криогенных агентов, так и хладонов) по двум известным параметрам (температура / давление /энтальпия / энтропия / плотность) в областях перегретого пара, переохлажденной жидкости, сверхкритического газа, сверхкритического флюида в разумном диапазоне значений параметров;

🔹 расчета теплофизических параметров рабочих веществ на линии насыщения и в пределах парожидкостной области по известным температуре / давлению и доле пара;

🔹 расчета теплофизических параметров растворов несжимаемых жидкостей, в том числе гликолей, по двум параметрам температуре / давлении / плотности / энтальпии / энтропии;

🔹 теплового и гидравлического расчетов паропровода с визуальным редактором для его трассировки и подробно изложенной методикой расчета;

🔹 расчета термодинамических характеристик простого холодильного цикла с опциями подбора электродвигателя для сальникового / герметичного / полугерметичного исполнения компрессорной машины, а также с построением цикла в диаграмме lg(p) - h для заданного хладона.

⚡️ Онлайн инструменты - это высоко формализованный опыт, который позволяет специалистам фокусироваться на глобальных целях (снижение производства СО2, повышение энергоэффективности, снижение объёма вредных выбросов и пр.), а не распыляться на повторное воспроизведение хорошо изученных в науке тем.

⚠️ Однако, для успешного развития науки каждый специалист должен твёрдо знать, как и каким образом функционируют цифровые инструменты, чтобы контролировать их работу.

#инженерные_инструменты

❄️ Пособие криогенщика. Насосы жидкостные криогенные

Материалы доступны на сайте Ionium
https://ionium.ru/articles/nasosy-zhidkostnye-kriogennye

⭐️ Для формализации опыта по криогенной технике и технологии, а также для его передачи молодым специалистам, которые хотят связать свою профессиональную деятельность с отраслью, подготовил постер с полезной информацией по насосам жидкостным криогенным.

🌐 При проектировании и эксплуатации криогенных систем надежность насосного оборудования является одним из ключевых факторов. В представленном материале кратко изложены основные принципы работы, классификация, методы испытаний и практические рекомендации по монтажу центробежных криогенных насосов, используемых для перекачивания жидких агентов. Особое внимание уделено вопросам обеспечения кавитационного запаса (NPSH), подбора параметров и правильной обвязки насосов для стабильной работы в непрерывном и периодическом режимах.

✔️ Содержание постера:
🔹 Классификация криогенных насосов: непрерывного и периодического действия.
🔹 Конструктивные особенности, принцип работы и области применения.
🔹 Методика заводских испытаний (стенд, параметры, пересчёт характеристик).
🔹 Кавитация: определение, параметры NPSHa и NPSHr, последствия.
🔹 Практические требования к монтажу трубопроводов (всасывание, нагнетание, байпас).
🔹 Способы повышения кавитационного запаса системы.

🙂 Буду признателен, если в комментариях предложите темы для следующих материалов в таком формате с опорой на свою текущую специфику профессиональной деятельности. Так материалы будут иметь гораздо более широкую практическую значимость, поскольку созданы по запросу коммерческого или научного секторов отрасли.

#пособие_криогенщика

💡Часть 2. Молекулярное сито – классификация и характеристики

✔️ Применение молекулярных сит в ВРУ

🔷 Адсорберы на основе молекулярных сит (обычно молекулярные сита 5А) используются в воздухоразделительных установках высокого и среднего давления для одновременного поглощения воды, углекислого газа и ацетилена, что позволяет исключить множество негативных последствий при реализации технологического процесса, обеспечивает простоту эксплуатации и высокое качество продуктов. В крупных воздухоразделительных установках низкого давления в адсорберах обычно используются молекулярные сита 13X.

🔷 В преобладающем большинстве случаев для предварительного осушения сжатого до давления 6…6,5 бар (абс.) воздуха со 100 % влажностью после водяного скруббера в адсорберах блока комплексной очистки первым по ходу движения потока предусмотрен слой оксида алюминия, который существенно снижает относительную влажность и повышает эффективность дальнейшей очистки на молекулярном сите.

💭 Факторы, влияющие на срок службы молекулярных сит:
🔹 частая принудительная регенерация, особенно высокотемпературная;
🔹 cлишком резкий сброс и набор давления в адсорбере приводят к механическому разрушению молекулярного сита и запыливанию адсорбера;
🔹 подтопление адсорбера за счет уноса капельной влаги из водяного скруббера, повышение температуры воздух на выходе из водяного скруббера с последующим перенасыщением слоя оксида алюминия – т.е., все ситуации, приводящие к увеличению относительной влажности на входе в слой молекулярного сита.

💬 Основные этапы работы системы очистки с 2-мя адсорберами с молекулярным ситом:
🔹 параллельная работа двух адсорберов с последующим переводом загрязненного адсорбера в режим регенерации;
🔹 сброс давления;
🔹 продувка подогреваемым отбросным азотом;
🔹 продувка холодным отбросным азотом;
🔹 ожидание завершения цикла работы активного адсорбера;
🔹выравнивание давления.

📌 Обстоятельства, при которых требуется высокотемпературная регенерация:
🔹 первичное заполнение / перегрузка молекулярного сита и/или оксида алюминия;
🔹 подтопление / внешнее случайное загрязнение;
🔹 плановая высокотемпературная регенерация не реже одного раза в два года в случаях, если система работала это время исправно, или если эффективность очистки начала снижаться со временем.

#сорбция

💡Часть 1. Молекулярное сито – классификация и характеристики

Полная версия статьи доступна на сайте Ionium
https://ionium.ru/articles/molekulyarnoe-sito-klassifikatsiya-i-harakteristiki

🔷 Под понятием «молекулярное сито» чаще понимают синтетические кристаллические силикаты алюминия, реже – природные микропористые гидратированные алюмосиликаты с кристаллической структурой, известные как цеолиты. Внешне молекулярные сита представляют из себя гранулы (цилиндрические или сферические) с желтоватым, бежевым или серым оттенком.

🔷 Молекулярные сита отличаются по своей кристаллической структуре. Существует множество видов молекулярных сит, но наиболее часто используемые — это A, X и Y. Каждый вид отличается размером пор и свойствами в зависимости от катиона – положительно заряженного иона в порах. Сорбируемые и удерживаемые вещества в зависимости от вида молекулярного сита и размеров пор представлены на изображении к посту.

🔷 Наиболее часто используемые в промышленности марки молекулярных сит: 3A, 4A, 5A, 10X, 13X и т. д. в формате сферических гранул с размером частиц от 1,7 до 5 мм. В некоторых специфических областях приложения, например, при заполнении аппаратов с фасонной формой или в случае наличия требований к более плотной засыпке при очистке жидкостей, используются цилиндрические гранулы – черенки.

🔷 Полости, способные захватывать и удерживать адсорбат в молекулярном сите, образуют порядка 50 % объёма засыпки, а каждый грамм молекулярного сита имеет среднюю внутреннюю площадь поверхности от 700 до 800 м². В процессе адсорбции порами происходит захват молекул, размеры которых меньше, чем размеры пор, а удерживаются молекулы, большие по размеру, чем сами полости. О том, как этот процесс описывается в упрощенном варианте по Л.Д. Ландау можно прочитать в посте выше.

⚙️Основные характеристики молекулярных сит:
🔹 высокая адсорбционная способность и высокая селективная адсорбционная эффективность.
🔹 высокая способность к осушению газов при высоких температурах и скоростях движения потока.

Например, для воздуха: чем ниже содержание водяного пара, т.е. чем ниже относительная влажность, тем выше адсорбционная способность. Но при высокой относительной влажности адсорбционная способность значительно меньше, чем у силикагелей.


🔹 стабильность (технологическая надежность), способность сохранять нормальную адсорбционную способность при температурах ниже 200 °C.
🔹 относительно длительный срок службы от 4 до 8 лет в зависимости от условий эксплуатации, эффективности регенерации и стабильности режимов работы системы.
🔹 особенно высокая адсорбционная способность по отношению к воде, ацетилену и углекислому газу.

#сорбция

💡 Поверочный упрощенный гидравлический расчет адсорбера

Статья доступна на сайте Ionium
https://ionium.ru/articles/poverochnyy-uproschennyy-gidravlicheskiy-raschet-adsorbera

🔷 Одним из основных вариантов повышения / восстановления производительности воздухоразделительных установок в части выдачи жидких и газообразных продуктов является повышение компрессии.

🔷 Под компрессией в общем случае понимается (1) повышение давления прямого потока, (2) повышение расхода компримированного сырьевого воздуха.

🔷 С учетом стремления к удешевлению конструкции центробежных компрессорных машин и их комплектации возможности для изменения давления нагнетания за счет изменения частоты вращения ротора часто не предусматриваются или невозможны. Поэтому наиболее целесообразным вариантом повышения компрессии является установка дополнительных компрессорных мощностей с соответствующим давлением нагнетания.

🔷 При реализации такого подхода принципиально необходимо выполнить поверочный гидравлический расчет адсорберов в блоке комплексной очистки для подтверждения работоспособности системы при новых условиях по расходу рабочей среды.

🔷 В качестве ограничивающих факторов выступают: (1) скорость потока в аппарате для исключения уноса частиц, (2) время контакта сырьевого воздуха со слоями сорбентов. В случае, если работоспособность блока комплексной очистки при новых рабочих параметрах не обеспечивается, подвод дополнительного сырьевого воздуха с соответствующей степенью сухости и содержанием примесей может осуществляться после основной системы очистки.

✔️ Упрощенный алгоритм поверочного гидравлического расчета представлен на приложенном к посту изображении. Актуальность упрощенного расчета - определение границ повышения производительности установки за счет увеличения компрессии.

💭 Детальный расчет адсорбера в режимах прямого и обратного дутья при замене сорбентов на альтернативные должен производиться с использованием соответствующих аналитических методик или программных комплексов, например, Aspen Adsorbtion.

#основное_технологическое_оборудование_вру

💡 Часть 4. Драйкулер vs Открытая вентиляторная градирня

📌 Выводы

🔹 Как видно, из результатов количественного и, преимущественно, качественно анализа технологические и эксплуатационные преимущества на стороне драйкулеров.

🔹 За счет сниженных массогабаритных характеристик, большей термодинамической эффективности и устойчивости в части сохранения работоспособности при изменении условий окружающей среды вариант организации системы охлаждения с открытыми вентиляторными градирнями является более предпочтительным в установках зарубежного производства.

🔹 Активное развитие и исследования перспективных неметаллических конструкционных композиционных материалов, позволяют изготавливать более легкие, прочные и дешевые типовые элементы для «набора» градирен любой конфигурации и производительности.

#драйкулер
#открытая_вентиляторная_градирня

💡 Часть 3. Драйкулер vs Открытая вентиляторная градирня

🎮 Технологические особенности

📎Запас по кавитации

🔹 В закрытом водяном контуре драйкулера с циркуляционным насосом и гидроаккумулятором запас по кавитации насоса обеспечивается даже при значительных гидравлических сопротивлениях трубопроводах и трубопроводной обвязки.

🔹 Поскольку бассейн градирни открыт на атмосферу, то запас по кавитации такой системы на гидравлические сопротивления трубопровода всасывания ограничен и сильно зависит от взаимного расположения нивелирных отметок минимального инструментального уровня в бассейне и патрубка всасывания насоса.

📎Подпитка системы и подготовка воды

🔹 Закрытый контур драйкулера может работать на заведомо умягченной технической воде без прямой необходимости организации системы контроля качества и умягчения воды, а также подпитки. Однако, практически во всех современных коммерческих решениях для закрытых оборотных контуров система контроля качества и умягчения предусматривается проектом. Факт ухудшения состояния воды оборотного контура позволяет планировать своевременное обслуживание теплообменного оборудования.

🔹 Открытый контур вентиляторной градирни требует постоянного контроля качества и умягчения воды. Помимо этого, в соответствии с нормативными требованиями часть воды, перекачиваемая насосами, должна быть возвращена в бассейн градирни через фильтр механической очистки (особенно в период паводков, п. 2.9.3 ВУТП-97). Подпитка открытого контура является обязательной, поскольку до 1,5 % от расхода воды испаряется и уносится в атмосферу в процессе контакта фаз, около 1 % от расхода воды испаряется с зеркала бассейна, около 0,5 % от расхода воды принимается в качестве компенсации утечек.

📎Рабочая среда

🔹 Для закрытого контура драйкулера помимо воды могут быть использованы растворы гликолей, что допускает прокладку трубопроводов вне отапливаемых помещений и эксплуатацию аппаратов в условиях отрицательной температуры окружающей среды.

🔹 В открытом контуре градирни может использоваться только подготовленная техническая вода, что создает риск ее замерзания в бассейне или трубопроводе всасывания насоса при простое установки в холодный период года. В случае перехода установки в режим длительного ожидания или стоянки вода из трубопроводов должна быть удалена, а бассейн должен подогреваться. Если нагреватели в бассейне не установлены, вода должна быть слита.

📎 Эксплуатация и обслуживание

🔹 Для двух рассматриваемых вариантов для обеспечения нормального режима работы необходима установка осевых вентиляторов. Целесообразно обеспечивать регулирование производительности этих вентиляторов с использование регуляторов частоты питающего тока.

🔹Для сборки секций градирен и сборки трубчато-ребристых аппаратов распространенным является решение с резервированием вентиляторов.

🔹 Трубчато-ребристые теплообменные аппараты могу быть очищены от загрязнений при непродолжительной остановке вентиляторов. Обслуживание вентиляторов и бассейнов градирен требует полной остановки секции (вентилятор + связанный бассейн) и опорожнения бассейна.

🔹 Надежность конструкции открытой градирни существенно выше, чем трубчато-ребристых аппаратов, поскольку вероятность механических повреждений и утечек в секциях аппаратов с протяженными трубами выше.

🔹 Наиболее уязвимыми в конструкции градирен являются форсунки, которые могут забиться механическими частицами или потерять кривизну профиля сопел из-за износа. Подобные проблемы в работе градирни могут быть выявлены при комплексном систематическом анализе контура оборотного водоснабжения.

#драйкулер
#открытая_вентиляторная_градирня

💡 Часть 2. Драйкулер vs Открытая вентиляторная градирня

🟢 Конкретный пример для дальнейшего анализа методов:

🔹 Центробежный четырехступенчатый компрессор с мощностью на валу 2,4 МВт и мощностью электродвигателя 2,66 МВт с учетом межступенчатого и концевого охлаждения потребляет 335 м3/ч охлажденной до температуры не более 32 °С воды.

🔹 В номинальном режиме работы 255 м3/ч воды используется на межступенчатое и концевое охлаждение, 20 м3/ч на охлаждение статора электродвигателя, 16,5 м3/ч на охлаждение масла, около 18-20 м3/ч на компенсацию повышенного тепловыделения при форсированном режиме работы ~115 % от номинальной производительности и около 25 м3/ч приходится на неучтенные потери (запас). Эквивалентная тепловая нагрузка на систему охлаждения для указанных 335 м3/ч составляет 4,5 МВт.

🔹 Условия окружающей среды в регионе эксплуатации машины подразумевают наличия двух режимов работы: (1) нормальный и (2) экстремальный.

🔹 (1) Нормальному режиму работы соответствуют условия (температура средняя / давление атмосферное / влажность относительная): 30,5 °С / 0,98 бар (абс.) / 80 %.

🔹 (2) Экстремальному режиму соответствуют условия: 45 °С / 0,98 бар (абс.) / 17,8 %.

✔️ Массогабаритные характеристики

🔹 Система с драйкулерами – принимается 6 секций с производительностью 770 кВт каждая. Общая масса около 13,8 т, размеры секции 10,9х2,4 м, занимаемая площадь в плане ~160 м2.

🔹 Открытая вентиляторная градирня – производительность системы 335 м3/ч, что находится между типовыми значениями 250 м3/ч (4х4 м) 500 м3/ч (6х6 м), т.е. для рассматриваемого примера в плане градирня будет занимать площадь около 25 м2, масса около 4,5 т. Градирня требует организации бассейна из прочного пластика или бетона достаточной геометрической вместимости для обеспечения требуемых инерционных характеристик системы оборотного водоснабжения.

✔️ Степень соответствия режиму работы

🔹 Для рассматриваемого примера вода на входе в промежуточные и концевой охладители должна быть подана при температуре не менее 32 °С.
До тех пор, пока температура окружающей среды превышает значение 32 – (6…12) = 20…26 °С, температуры воды на входе в промежуточные и концевой теплообменные аппараты будет выше требуемой. Это приведет к повышенному расходу воды в контуре и работе машины в режиме значительной перегрузки (перегрев подшипниковых узлов и их активный износ, повышенное энергопотребление, повышение температуры статора с риском аварийного останова машины, повышение температуры рабочей среды на входе в холодный блок – снижение количества жидких продуктов, и пр.).

🔹 Для открытой вентиляторной градирни ситуация обстоит иначе. Температура эффективного охлаждения воды зависит от температуры мокрого термометра, т.е. для условия нормального режима работы (30,5 °С / 80 %) эффективная температура охлаждения 27,5 °С, а для экстремального режима работы (45 °С / 17,8 %) 24,16 °С. С учетом запаса на неэффективность процесса охлаждения 4,5…6 K, при более высокой температуре окружающей среды и закономерно меньшей относительной влажности открытая вентиляторная градирня обеспечивает работоспособность системы охлаждения.

#драйкулер
#открытая_вентиляторная_градирня