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%).
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;
