A new approach to the production of dry ice pellets
By in

A new approach to the production of dry ice pellets

Introduction 

one of the first machines from the previous technical level for solid carbon dioxide pellets is the Waldemar Hessling machine ( US1919698, 1928 year). Currently there are several dry ice pellets manufacturers that produce machines based on Hessling design.  

Устройство Валдемара Хесслинга (US1919698, 1928 г.)

Generalized scheme for the similar dry ice making machines

On the right picture you can see the generalized scheme of the hydraulic and mechanical dry ice making machines, that are produced all over the world.  

All the machines include pressing chamber 2, pressing plunger 5,  forcing drive 5, power engine 7, injection valve 4 and filtration elements 6. 

From the tank 1 with the liquid CO2 moves the flow of the liquid CO2 L1, that is infected to the pressing chamber with the atmosphere pressure. During the gas expansion the liquid CO2 transforms to the dry ice snow and a huge amount on the gaseous CO2 that goes through the filters and moves out to the environment or gets pressed, cooled,  liquidized again. After the injection cycle the remaining dry ice snow gets pressed with the plunger at the pressure of 160-220 atm, due to the the dry ice snow becomes glassy. Power engine works on the external electric energy source. 

 

On the next step the dry ice gets extruded through the holed matrix that is also needs the huge amount of the energy. 

The gaseous CO2 after leaving the pressing chamber has the lower temperature than the temperature of the incoming liquid CO2. In this case the dry ice making machine can be equipped with the heat exchanger in which the liquid CO2 is getting cooled by the gaseous CO2, rising the conversion ratio. 

Generalized scheme of the PU20 module

PU20 Modules also include the pressing chamber, power engine and a heat exchanger. All these parts are different from the similar parts in existing dry ice making machines, except the heat exchanger.   

Pressing chamber has the diameter of 20 mm in where the liquid CO2  coming from the tank is injected. But the injection is occurs under the pressure that is higher than the atmospheric and lower than the triple point (5.1 атм). In this case the gaseous CO2 is carried outside of the chamber order the overpressure and further used in the power engine. Power engine is the special cryogenic pneumatic cylinder that is producing force on the plunger, which is pressing the dry ice snow in the pressing chamber under the pressure of 250 atm. So the system needs a huge energy from the external source. 

 

 

Notice: These machine is not a continuous operation machine because it works on the energy that is originally contained in compressed CO2.  

Новый подход к производству гранул сухого льда
By in ,

Новый подход к производству гранул сухого льда

Введение 

Одним из самых первых устройств предшествующего уровня техники для производства гранулированного твердого диоксида углерода является устройство Валдемара Хесслинга (US1919698, 1928 г.). В настоящий момент существуют несколько производителей грануляторов сухого льда, принцип работы которых основывается на устройстве Хесслинга.

Устройство Валдемара Хесслинга (US1919698, 1928 г.)

Обобщенная схема аналогичных грануляторов

На рисунке справа представлено обобщенное схема гидравлических или механических грануляторов, которые выпускаются во всем мире.

Все устройства содержат камеру прессования 2, поршень для прессования 5, силовой привод 7, клапан впрыска 4 и фильтрационные элементы 6.

От цистерны 1 с жидким СО2 по трубопроводу поступает поток жидкого СО2 L1, который впрыскивается в камеру прессования, где поддерживается около атмосферное давление. В процессе дросселирования жидкий СО2 трансформируется в крошку сухого льда и большой объем газообразного СО2, который проходит через фильтры и выходит в окружающую среду или повторно сжимается, охлаждается и сжижается. После завершения цикла впрыска оставшийся снег сухого льда начинается прессоваться поршнем при давлении 160-220 атм, за счет чего снег приобретает стекловидную структуру. Силовой привод при этом работает от внешнего источника электрической энергии. 

 

Далее лед сухого льда выдавливается через матрицу с отверстиями, на что также расходуется огромная энергия.

Так газообразный СО2 после выхода из камеры прессования имеет температуру ниже температуры поступающего жидкого СО2, то в грануляторе может быть предусмотрен теплообменный аппарат, в котором за счет газообразного СО2 охлаждается жидкий СО2 и тем самым повышается коэффициент конвертации.

Обобщенная схема модуля PU20

Модули PU20 также состоят из камеры прессования, силового привода и теплообменного аппарата. Но все эти узлы отличаются от подобных узлов в существующих грануляторах. кроме теплообменного аппарата.

Камера прессования имеет диаметр 20 мм, в который также впрыскивается жидкий СО2, поступающий из цистерны. Но впрыск происходит при давлении выше атмосферного и ниже тройной точки СО2 (5.1 атм), таким образом из камеры отводится сжатый газообразный СО2 при повышенном давлении и в дальнейшем используется в силовом приводе. Силовой привод из себя представляет специальный криогенный пневмоцилиндр, который формирует силу на плунжере, который в свою очередь прессует снег сухого льда в камере при давлении до 250 атм. Таким образом данная система не требует энергии от внешнего источника. 

Примечание: Данная машина не является вечным двигателем, так как она работает на энергии, которая изначально заложена в сжатом жидком СО2.

Fault tolerance of pelletizers
By in

Fault tolerance of pelletizers

Fault tolerance  of pelletizers

Fault tolerance — the property of a technical system to maintain its performance after the failure of one or more components. Fault tolerance is determined by the number of any consecutive single component failures, after which the system as a whole remains functional. The basic level of fault tolerance implies protection against failure of any single element — excluding a single point of failure.

Failure rate — the ratio of the number of failed objects (samples of equipment, products, parts, mechanisms, devices, nodes, etc.) per unit of time to the average number of objects that are working properly in a given period of time, provided that the failed objects are not restored or replaced with serviceable ones. In other words, the failure rate is numerically equal to the number of failures per unit of time attributed to the number of nodes that have worked flawlessly up to this time.

Below are the elements of each granulator and their failure rate according to:

  • «Generic component reliability data for research reactor PSA» INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY
  • «Aging and Service Wear of Air-Operated Valves Used in Safety-Related Systems at Nuclear Power Plants» Martin Marietta Energy Systems, Inc.
  • «Solenoid Valves used in Safety Instrumented Systems» ASCO Valves
  • «Increased Efficiency of Hydraulic Systems Through Reliability Theory and Monitoring of System Operating Parameters» Jocanović, M. – Šević.

Hydraulic analog (1 piece)

Proportional valve
Pressure compensated relief valves
Gear pump with frequency regulation
Electro-hydraulic valves
Electrical motors
Pressure switch valve
Check valve - flow restrictor
Rubber high-pressure hoses

PU20 module (3 pieces)

Ball valves for gas
Pneumatic actuators rotary
Proportional valves
0 %
Probability of failure at 10,000 hours of operation
0 %
Probability of failure at 10,000 hours of operation

Actuator's resource

High-quality hydraulic / pneumatic cuffs are the basis for proper operation of the hydraulic / pneumatic cylinder. Knowing the characteristics of hydraulic / pneumatic cuffs and what ultimately leads to their failure helps to achieve trouble — free operation of the hydraulic/pneumatic cylinder throughout its service life.

 

The cuffs play an important role-they hold the liquid/gas and prevent it from leaking between the cylinder components. Cuffs are divided into two main categories: dynamic and static. Dynamic cuffs are used between parts that are in motion relative to each other. The cuffs for the rod sealing system protect the dynamic reciprocating movement of the rod, piston and head. The reciprocating motion of the piston relative to the cylinder is another area of the cylinder that uses dynamic cuffs.

Below is a simple calculation of the resource of the analog drive and the PU20 module:

  • Trelleborg Sealing Solutions PROHIPP 4th Year General Meeting VIC, 26th of May 2008
  • Jack-up cylinders First Selection Offshore Bosch Rexroth
  • ISO 19973 — Pneumatic Fluid Power — Assessment of component reliability by testing

Hydraulic cylinder

  • Resource of cuff seals 500 km;
  • Duration of the pressing cycle: 45 sec;
  • Plunger stroke per cycle: 0,6 meter;

Pneumatic cylinder​

  • Resource of cuff seals: 30 000 км;
  • Duration of the pressing cycle: 12 сек;
  • Plunger stroke per cycle: 0,8 метров;
0 h
Resource of the hydraulic granulator power drive
0 h
Power drive resource of the PU20 module
Отказоустойчивость грануляторов
By in ,

Отказоустойчивость грануляторов

Риск отказа Грануляторов

Отказоустойчивость — свойство технической системы сохранять свою работоспособность после отказа одного или нескольких составных компонентов. Отказоустойчивость определяется количеством любых последовательных единичных отказов компонентов, после которого сохраняется работоспособность системы в целом. Базовый уровень отказоустойчивости подразумевает защиту от отказа одного любого элемента — исключение единой точки отказа. 

Интенси́вность отка́зов — отношение числа отказавших объектов (образцов аппаратуры, изделий, деталей, механизмов, устройств, узлов и т. п.) в единицу времени к среднему числу объектов, исправно работающих в данный отрезок времени при условии, что отказавшие объекты не восстанавливаются и не заменяются исправными. Другими словами, интенсивность отказов численно равна числу отказов в единицу времени, отнесенное к числу узлов, безотказно проработавших до этого времени. 

Ниже приводятся элементы каждого гранулятора и их интенсивность отказа согласно:

  • «Generic component reliability data for research reactor PSA» INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY
  • «Aging and Service Wear of Air-Operated Valves Used in Safety-Related Systems at Nuclear Power Plants» Martin Marietta Energy Systems, Inc.
  • «Solenoid Valves used in Safety Instrumented Systems» ASCO Valves
  • «Increased Efficiency of Hydraulic Systems Through Reliability Theory and Monitoring of System Operating Parameters» Jocanović, M. – Šević.

 

Гидравлический аналог (1 шт)

Proportional valve
Pressure compensated relief valves
Gear pump with frequency regulation
Electro-hydraulic valves
Electrical motors
Pressure switch valve
Check valve - flow restrictor
Rubber high-pressure hoses

Модуль PU20 (3 шт)

Ball valves for gas
Pneumatic actuators rotary
Proportional valves
0 %
Вероятность отказа на 10 000 часу эксплуатации
0 %
Вероятность отказа на 10 000 часу эксплуатации

Ресурс Приводов

Качественные гидравлические/пневматические манжеты – основа правильной работы гидравлического/пневматического цилиндра. Знание характеристик гидравлических/пневматических манжет и того, что в конечном итоге приводит к их отказу, помогает достичь безотказной работы гидроцилиндра/пневмоцилиндра на протяжении всего срока службы.

 

Манжеты играют важную роль — они удерживают жидкость/газ и предотвращают ее утечку между компонентами цилиндра. Манжеты делятся на две основные категории: динамические и статические. Динамические манжеты используются между частями, которые находятся в движении относительно друг друга. Манжеты для системы уплотнения штока защищают динамическое возвратно-поступательное движение штока, поршня и головки. Возвратно-поступательное движение поршня относительно цилиндра является еще одной областью цилиндра, в котором используются динамические манжеты.

Ниже приводится простой расчет ресурса привода аналогов и модуля PU20:

  • Trelleborg Sealing Solutions PROHIPP 4th Year General Meeting VIC, 26th of May 2008
  • Jack-up cylinders First Selection Offshore Bosch Rexroth
  • ISO 19973 — Pneumatic Fluid Power — Assessment of component reliability by testing

Гидравлический цилиндр

  • Ресурс манжетных уплотнений: 500 км;
  • Продолжительность цикла прессования: 45 сек;
  • Ход плунжера за цикл: 0,6 метров;

Пневматический цилиндр

  • Ресурс манжетных уплотнений: 30 000 км;
  • Продолжительность цикла прессования: 12 сек;
  • Ход плунжера за цикл: 0,8 метров;
0 ч
Ресурс силового привода гидравлического гранулятора
0 ч
Ресурс силового привода модуля PU20
What is the conversion factor for the pelletizer?
By in

What is the conversion factor for the pelletizer?

The main function of dry ice production machine is transformating liquid CO2 into the pellets of dry ice. Let’s study this procees more detailed with splitting into stages.  

Storage and feeding liquid CO2 to the granulator

As we know, the liquid CO2 always stored in the tank with exact pressure. Recomended storage pressure of the liquid CO2 for the ontimal dry ice production machine’s work is from 16 to 18 atm. The lower pressure is used in the tank, the lower is the temperature of liquid CO2. Traditionally, the fittings of the liquid CO2 delivery tank are connected to the granulator through strong and flexible hydraulic hoses or through welded steel pipelines. For the more effective dry ice production machine work, it is recommended to fix the collector-separator-filter over it, where the CO2 gases are removed and liquid CO2 is filtered from microscopic solid parts. 

Liquid CO2 throttling

Throttling is the adiabatic expansion of a liquid in an open system under stationary flow conditions without performing external work and increasing the speed on the control surface.
 
Arkharov A. M., «Cryogenic system. Volume 1. Fundamentals of theory and calculation»

In the case of granulators, the control surface is a valve or nozzle for supplying liquid CO2 to the pressing chamber, through which the liquid CO2 loses pressure below the pressure of the triple point of CO2 (5.12 ATM) and thereby turns into a two-phase mixture (in gaseous CO2 and dry ice snow).

The proportion of the mixture (gas: snow) has a constant value for each pressure level (16-18 ATM), regardless of the location of the granulator on the globe. Thus, the basic conversion rate from liquid to snow is always the same for all dry ice production machines.

The figure on the right shows a TS diagram for understanding the pellet production method. Point A1 is located on the saturation line a1-a2 and characterizes the state of carbon dioxide in the liquid aggregate state (L) when stored in a tank at a pressure of 1.8 MPa (selected for example), line A1-A2 shows the process of a sharp drop in the pressure of liquid carbon dioxide (L) from point A1 to point A2, where point A2 shows the thermodynamic equilibrium of a mixture of solid carbon dioxide (S) (point A3) and gaseous carbon dioxide (G) (point A4), based on this, the proportion of solid carbon dioxide obtained is equal to the result of dividing the length of the segment A2-A4 by the length of the segment A3-A4 and is approximately 0.51 (51%).

Your Diagram TitleВпрыск жид. СО2 → Газ. СО2 (через фильтр): 50%Впрыск жид. СО2 → Снег СО2 в камере: 50%Впрыск жид. СО2: 100%Впрыск жид. СО2: 100%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Снег СО2 в камере: 50%Снег СО2 в камере: 50%
Your Diagram TitleВпрыск жид. СО2 → Газ. СО2 (через фильтр): 50%Впрыск жид. СО2 → Снег СО2 в камере: 50%Впрыск жид. СО2: 100%Впрыск жид. СО2: 100%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Снег СО2 в камере: 50%Снег СО2 в камере: 50%

Filtration of a two-phase mixture

When liquid CO2 is injected into the pressing chamber, liquid CO2 is partially converted (for example, by 50%, taken for simple perception) into gaseous CO2 and by 50% into dry ice snow.

Technical information:

  •  The density of liquid CO2 at 16 ATM: 1060 kg/m3;
  • Density of cold CO2 gas at 1 ATM: 2.5 kg / m3;
  • Dry ice particle density: 1600 kg / m3 (approx.);

Half of the liquid CO2 stream turns into gaseous CO2, which is accompanied by a 424-fold increase in the volume of this half of the stream (1060/2,5). As a result, a complex vortex flow of a two-phase mixture forms in the pressing chamber. The task of the filter is to keep the dry ice snow in the pressing chamber as much as possible.

The sources of waste

The heat from the extrusion

During the extrucion procces, the surfaces of matrix and chambers contacted with extruded material, are subjected to significant local heating.

The processes of evaporation of granules when they are released into atmospheric conditions are presented below. Since ice is pressed under high pressure, the heat that it received from friction does not immediately pass into steam, but is kept under pressure in the chamber. After exiting, the pressure around the ice becomes atmospheric and evaporation occurs.

Heat from the hydraulic system

Heat flow from hydraulic oil through the pressing piston, studs, frame, and convection inside the frame shell. Hydraulic cylinder working temperature is usually about + 80, it can reach +100 °C in extreme conditions. It occurs due to the losses, when the part of electrical energy (10-15%) in the hydraulic drive converts to heat. Part of this heat brings out with the cooling system, but some goes to the pressing chamber.

Compaction friction

On this site the snow of the dry ice is being compacted and it's friction on the pressing chamber is insignificantly.

Pulp pressing friction

Glassy shape compacted snow under the pressure of 160-220 ATM becomes viscous and begins to press on the side walls of the pressing chamber. This friction is one of the highest during the dry ice production cycle.

Calculation example

For example, to calculate the losses of hydraulic granulator operation with productivity G=120 kg/h and power N=10 kW, you need to take an efficiency factor of 87% (approximately), to get the power (8,7 kW) on the plunger in the pressing chamber. 

For example, base conversion coefficient is 2.0, which means that the relation of the solid and the gaseous phase is 50/50, so you need 2 kg of liquid to produce 1 kg of the snow.Measure the time of the extrusion from the moment of increase in noise to the moment of pellets exiting from the matrix, and the whole process time. For the traditional machines this values are approximately 6 and 24 seconds, which means 25% of the whole machine’s working time (we should also add about 5% for the snow pressing process ) – this is the plunger working time, when the whole hydraulic system power goes on the overcoming friction in the pressing chamber and matrix holes. Friction heat: 

Q=N • 87% • 30% = 2,6 kW.

Let’s take the efficiency of the heat bringing out from the hydraulic system as 50%. Heat flow from the hydraulic system to the pressing chamber:  

Q=N • (100% — 87%) • 50% = 0,6 kW.

The total heat flow to the dry ice in the process of it’s production is Q= 3,2 kW. 

Because the scecific heat of dry ice sublimation is about k= 590 000 J/kg, the dry ice loss will be about:  

G = Q / k= 0,0054 kg/s = 19,5 kg/hour

Let’s calculate the actual flow rate to the liquid: 

G(liquid) = (G1+G2 )/0,5=279 kg/hour 

Final conversion rate subject to the total efficiency and actual liquid flow rate:    

x= G(liquid)/G(granulator)=279 / 120 = 2,3

In this way, using such a hydraulic granulator during one year (2000 working hours) customer loses dry ice by weight:    

G(potential) • 2000 hours = 19,5 kg/hour *2000 hours= 39 000 kg

and consumes electricity in the amount of:  

N • 2000 hours = 20 000 kW/h

Improvement Methods

Friction on the matrix and from internal deformation of the pulp into pellets

When the ice passes through the matrix, there appears one more force,
needed to overcome the deformation resistance. At the exit "overheated" ice begins to evaporate immediately until it reaches the equilibrium state.

Liquid heating with exhaust gas

 

Here are the main physical parameters of substances: 

 

Liquid CO2 at 16 ATM:

  • Temperature before the heat exchanger  [Tl]: -26 С;
  • Temperature after the heat exchanger [Tк]: unknown;
  • Heat capacity  [Cl]: 2100 J/kg*sec;

СО2 gas at 1 ATM:

  • Temperature after the pressing chamber (before the heat exchanger) [Tг]: -78 С;
  • Temperature after the heat exchanger [Tк]: unknown;
  • Heat capacity [Сг]: 778 J/kg*sec;

Dry ice at 1 ATM:

  •  Temperature: -78 С;
  • Specific sublimation heat [k]: 590 000 J/kg;
  • Looking at the above temperature values it is logical to solve this problem by installing the coil, the task of which will be to transfer the cold of outgoing flow of the gaseous CO2 to the liquid CO2. This can increase the snow yield at the next injection of cooled liquid CO2. Let’s assume, that heat-exchange is performed at 100%, which means that the liquid C02 is cooled to the temperature Tk, and the gaseous CO2 is being heated to the temperature Tk. Let’s also take the mass flow of the liquid CO2 as a unit (1), but the conversion factor is 50/50, so the mass flow of the gaseous CO2 is going to be 0,5 units. 

Let’s make the equation for the conservation of thermal energy: 

(Тк-Тж)•Сж•1+(Тк-Тг)•Сг•0,5=0

Let’s use numbers without specifying units of measurement, because all values are in the SI system: 

 

(Тк+26)•2100•1+(Тк+78)•778•0,5=0

Тк•2100+54 600+Тк•389+30342=0

Тк•2489+84942=0

Тк=-34,1 С

Now we calculate the cooling power, that is given to the liquid CO2 in the heat exchanger for the pellets production capacity at 100 kg/hour ( consumption of the liquid CO2 will be 200 kg/hour = 0,0556 kg/sec). 

 

N=(-34,1[С] +26 [С]) • 0,0556 [kg/sec] • 2100 [J/kg*sec] = 934 W,

that is in general not high cooling power, household air conditioner cooling power is even higher.  

Let’s calculate the additional yield of pellets. The simplest way is to imagine that the whole amount of the cold is used for pellet production from the gaseous CO2 (desublimation).  

G= 934 [W] / 590 000 [J/kg] = 934 [J/sec] / 590 000 [J/kg] = 0,00158 [kg/sec] = 5,7 kg/hour

In this way, the heat exchanger theoretically allows dry ice production machine with the capacity at 100 kg/hour to produce additional 5,7 kg/hour of pellets.

About PU20 module

There is no pressing friction

Due to the innovative design every pellet is being pressed almost without the friction and at the same time individually, that allows to reduce costs on liquid CO2.

Integrated heat exchanger

Innovative heat exchanging device is provided in modules, that allows to reduce costs on liquid CO2 due to high intensification.

Energy-independent pressing system

The modules have an innovative dry ice pellets pressing system, that needs only 14 W.

Dry ice production machine's diagram

  • 1 — liquid СО2 storage;
  • 2 — pressing chamber;
  • 3 — heat exchanger;
  • 4 — liquid CO2 injection valve;
  • 5 — pressing plunger;
  • 6 — filtration system;
  • 7 — pneumatic drive, working on gaseous CO2; 
  • G1 — working CO2 gas;
  • G2 — working CO2 gas after the heat exchanger;
  • G2` — working CO2 gas after working off. 
Что такое коэффициент конвертации грануляторов?
By in ,

Что такое коэффициент конвертации грануляторов?

Основная функция гранулятора сухого льда это преобразование жидкого СО2 в гранулы сухого льда. Рассмотрим этот процесс подробнее с разбитием на этапы.

Хранение и подача жидкого СО2 в гранулятор

Как известно, жидкий СО2 изначально всегда хранится в цистерне при заданном давлении. Рекомендуемое давление хранение жидкого СО2 для оптимальной работы гранулятора от 16 до 18 атм, в целом чем ниже давление тем ниже температура жидкого СО2. Традиционно штуцеры цистерны «Выдача жидкого СО2» подключают к гранулятору через прочные и гибкие гидравлические рукава либо через сваренные стальные трубопроводы. Также для более эффективной работы грануляторов рекомендуется устанавливать выше над ними коллектор-сепаратор-фильтр, в котором отфодятся пары СО2, появляющиеся от внешних теплопритоков, и фильтруется жидкий СО2 от микроскопических твердых частиц.

Дросселирование жидкого СО2

Дросселирование — адиабатное расширение жидкости в открытой системе в условиях стационарного течения без совершения внешней работы и приращения скорости на контрольной поверхности.
Архаров А.М. «Криогенные системы. Том 1. Основы теории и расчета»

В случае грануляторов контрольной поверхностью выступает клапан или дюза подачи жидкого СО2 в камеру прессования, проходя через которую жидкий СО2 теряет давление ниже давления тройной точки СО2 (5,12 атм) и тем самым превращается в двухфазную смесь (в газообразный СО2 и крошку сухого льда).

Пропорция смеси (газ:снег) имеет постоянное значение для каждого уровня давления (16-18 атм) вне зависимости от место расположения гранулятора на земном шаре. Таким образом базовый коэффициент конвертации из жидкости в снег всегда одинаков для всех грануляторов.

На рисунке справа изображена TS-диаграмма для понимания способа производства гранул. Точка А1 располагается на линии насыщения a1-a2 и характеризует состояние диоксида углерода в жидком агрегатном состоянии (L) при хранении в цистерне при давлении 1,8 МПа (выбрано для примера), линия А1-А2 показывает протекание процесса резкого падения давления жидкого диоксида углерода (L) из точки А1 в точку А2, где точка А2 показывает термодинамическое равновесие смеси из твердого диоксида углерода (S) (точка А3) и газообразного диоксида углерода (G) (точка А4), исходя из этого доля получаемого твердого диоксида углерода равняется результату деления значения длины отрезка А2-А4 на значение длины отрезка А3-А4 и составляет примерно 0,51 (51%).

Your Diagram TitleВпрыск жид. СО2 → Газ. СО2 (через фильтр): 50%Впрыск жид. СО2 → Снег СО2 в камере: 50%Впрыск жид. СО2: 100%Впрыск жид. СО2: 100%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Снег СО2 в камере: 50%Снег СО2 в камере: 50%
Your Diagram TitleВпрыск жид. СО2 → Газ. СО2 (через фильтр): 50%Впрыск жид. СО2 → Снег СО2 в камере: 50%Впрыск жид. СО2: 100%Впрыск жид. СО2: 100%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Газ. СО2 (через фильтр): 50%Снег СО2 в камере: 50%Снег СО2 в камере: 50%

Фильтрация двухфазной смеси

При впрыске жидкого СО2 в камеру прессования жидкий СО2 превращается частично (к примеру на 50%, взято для простого восприятия) в газообразный СО2 и на 50% в снег сухого льда.

Техническая информация:

  • Плотность жидкого СО2 при 16 атм: 1060 кг/м3;
  • Плотность холодного газообразного СО2 при 1 атм: 2.5 кг/м3;
  • Плотность частиц сухого льда: 1600 кг/м3 (примерно);

Половина потока жидкого СО2 получается превращается в газообразный СО2, что сопровождается увеличением объема данной половины потока в объеме в 424 раза (1060/2,5). В следствии чего в камере прессования образует сложнейший вихревой поток двухфазной смеси. При этом задача фильтра максимально задержать снег сухого льда в камере прессования.

Источники Потерь

Тепло от экструзии

В процессе экструзии поверхности матриц и камер, контактирующие с выдавливаемым материалом, подвергаются значительному локальному нагреву.

Ниже представлены процессы испарения гранул при их выходе в атмосферные условия. Так как лед прессуется под высоким давлением то тепло, которое к нему поступило от трения, не сразу переходит в пар, а удерживается под давлением в камере. После выхода давление вокруг льда становится атмосферным и происходит испарение.

Тепло от гидросистемы

Теплоприток от гидравлического масла через поршень прессования, шпильки, каркас, конвекцию внутри оболочки каркаса. Обычно температура при работе гидроцилиндра, как правило, + 80°C, в экстремальных условиях она достигает +110 °C. Это происходит в результате потерь, часть электрической энергии (10-15%) в гидроприводе с КПД 85-90% преобразуется в тепло. Часть этого тепло отводится через систему охлаждения, но часть поступает в камеру прессования.

Трение при уплотнении

На данном участке снег сухого льда уплотняется и его трение о стенки камеры прессования незначительно.

Трение от прессования пульпы

Уплотненный снег до степени стекловидной формы под давлением 160-220 атм приобретает вязкое состояние и начинает давить на боковые стенки камеры прессования. Данное трение является одним из самых высоких за цикл производства сухого льда.

Трение о матрицу и от внутренней деформации пульпы в гранулы

При прохождении льда через матрицу создается еще одно усилие, необходимое для преодоления сопротивления деформации. При выходе "перегретый" лед начинает мгновенно испаряться до наступления равновесного состояния.

Пример расчета

К примеру, для расчета потерь при работе гидравлического гранулятора с производительностью Gгр=120 кг/час и мощностью N=10 кВт, необходимо взять КПД в 87% (примерно), и получим мощность (8,7 кВт) на плунжере в камере прессования. 

К примеру базовый коэффициент конвертации составляет 2.0, то есть соотношение массы твердой фазы и газообразной фазы составляет 50/50, то есть на 1 кг снега необходимо затратить 2 кг жидкости. 

Замерьте время процесса экструзии, с момента увеличения шумности работы гидроузла до остановки выхода гранул из матрицы, и время одного общего цикла. Для традиционной машины эти показатели примерно равны 6 и 24 секунды соответственно, то есть 25% от всего времени работы машин (также стоит прибавить примерно 5% для процесса спрессовывания снега сухого льда) — это доля времени плунжера, когда вся мощность гидроузла уходит на преодоление трения в камере прессования и матрицы с отверстиями. Тепловыделения от трения:

Qтр=N • 87% • 30% = 2,6 кВт.

Эффективность отвода за пределы гранулятора тепла от гидросистемы примем в 50% (грубо). Тепловой поток от гидроузла к камере прессования:

Qг=N • (100% — 87%) • 50% = 0,6 кВт.

Общий теплоприток к сухому льда в процессе его производства составляет Q=3,2 кВт.

Так как удельная теплота сублимации сухого льда составляет примерно k=590 000 Дж/кг, то потери сухого льда составят:

Gпот = Q / k= 0,0054 кг/с = 19,5 кг/час

Рассчитаем фактический расход жидкости:

Gж = (Gгр+Gпот )/0,5=279 кг/час

Итоговый коэффициент конвертации с учетом реальной производительности и фактического расхода жидкости:

x= Gж/Gгр=279 / 120 = 2,3

Таким образом используя такой гидравлический гранулятор эксплуататор в течение года (2000 рабочих часов) теряет сухого льда массой:

Gпот • 2000 ч = 19,5 кг/час *2000 ч= 39 000 кг

и расходует электричество в объеме

N • 2000 ч = 20 000 кВт•ч

Методы Улучшения

Нагрев жидкости выхлопным газом

Приведем основные физические параметры веществ:

Жидкий СО2 при 16 атм:

  • Температура до теплообменника [Tж]: -26 С;
  • Температура после теплообменика [Tк]: неизвестно;
  • Теплоемкость [Cж]: 2100 Дж/кг*С;

Газ СО2 при 1 атм:

  • Температура после камеры прессования (до теплообменика) [Tг]: -78 С;
  • Температура после теплообменика [Tк]: неизвестно;
  • Теплоемкость [Сг]: 778 Дж/кг*С;

Сухой лед при 1 атм:

  • Температура: -78 С;
  • Удельная теплота сублимации [k]: 590 000 Дж/кг;

Глядя на выше приведенные значения температур, логично решить данную проблему установкой теплообменного аппарата, задача которого будет передача холода отходящего потока газообразного СО2 жидкому СО2. Этим можно добиться повышения выхода снега при следующем впрыске уже охлажденного жидкого СО2. Примем допущение, что теплообмен выполняется на 100%, то есть жидкий СО2 охлаждается до температуры Тк, а газ нагревается до температуры Тк. Также примем массовый поток жидкого СО2 за единицу (1), а коэффициент конвертации 50/50, то есть массовый поток газа составить 0,5 единиц.

Составим уравнение сохранения тепловой энергии:

(Тк-Тж)•Сж•1+(Тк-Тг)•Сг•0,5=0

Подставим числа, без указания единиц измерения, так как все значения в системе СИ:

(Тк+26)•2100•1+(Тк+78)•778•0,5=0

Тк•2100+54 600+Тк•389+30342=0

Тк•2489+84942=0

Тк=-34,1 С

Теперь вычислим мощность холода, которая передается жидкому СО2 в теплообменнике для производительности по гранулам 100 кг/час (расход жидкого СО2 составит 200 кг/час = 0,0556 кг/с).

N=(-34,1[С] +26 [С]) • 0,0556 [кг/с] • 2100 [Дж/кг*С] = 934 Вт,

при условии что КПД теплообменников составляет около 80%, то реальная тепловая мощность составить около 750 Вт.

Вычислим дополнительный выход гранул. Самый простой способ это представить, что весь переданный холод идет на создание гранулы из паров СО2 (на десублимацию):

G= 750 [Вт] / 590 000 [Дж/кг] = 750 [Дж/с] / 590 000 [Дж/кг] = 0,00127 [кг/с] = 4,5 кг/час

Таким образом теплообменник теоретически максимум предоставляет гранулятору с производительностью 100 кг/час производить дополнительные 4,5 кг/час гранул, или 9,15 кг жидкого СО2 /час.

Про модули PU20

Отсутствует трение при прессовании

За счет инновационной конструкции каждая гранула прессует почти без трения и при этом индивидуально., что позволяет сократить расходы на жидкий СО2.

Встроенный теплообменник

В модулях предусмотрен инновационный теплообменный аппарат, который за счет высокой интенсификации позволяет сократить расходы на жидкий СО2.

Энергонезависимая система прессования

В модулях предусмотрен инновационная система прессования гранул сухого льда, которая требует всего лишь 14 Вт.

Схема модулей грануляции

  • 1 — резервуар с жидким СО2;
  • 2 — камера прессования;
  • 3 — теплообменник;
  • 4 — клапан впрыска жидкого СО2;
  • 5 — плунжер прессования;
  • 6 — система фильтрации;
  • 7 — пневмопривод, работающий от газообразного СО2
  • G1 — рабочий газ СО2
  • G2 — рабочий газ СО2 после теплообменника;
  • G2` — рабочий газ СО2 после отработки;