Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Одной из основных задач совершенствования современной техники является повышение технологичности и снижение энергопотребления существующих решений в тех или иных сферах. Подобные тенденции наблюдаются в том числе и в вопросах подготовки и осушения воздуха на стартовых комплексах.
В настоящее время в рамках ужесточения коммерческой конфронтации на мировом рынке космических услуг и космонавтики проявился отчетливый интерес ведущих космических агентств по экономической оптимизации ценообразования космических пусков с помощью повышения их технологичности и снижения расходной базы снижением пассивных и активных затрат. Подобные затраты возникают при проектировании, изготовлении, монтаже, испытаниях и дальнейшей эксплуатации всех технологических и технических систем стартового комплекса. Одной из основополагающих технологических систем является система термостатирования стартового комплекса. Существующие системы термостатирования стартовых комплексов обладают высокой энергоемкостью и технологической сложностью обеспечения режима в случаях подготовки потоков воздуха с высокими расходами и требуемой степенью осушения. Узлы подготовки воздуха состоят из крупных многоступенчатых компрессорных и турбодетандерных блоков, а также каскадов теплообменников. Все вышеперечисленное оборудование (на примере проектирования СК «Ангара-А5» на космодроме Восточный) имеет огромное энергопотребление, обеспечение которого требует специальных проектировочных решений касательно поиска дополнительных источников энергии и способов их подключения. Эту проблему может решить применение современных технологий мембранного осушения в схеме системы. Использование современных мембранных схем и технологий позволяет обеспечить более высокую степень осушения потока воздуха, благодаря чему процесс получения заданной влажности воздуха в системе термостатирования на стартовом комплексе может быть реализован менее энергозатратным и более технологичным, что в свою очередь на сегодняшний день является одним из наиболее актуальных направлений в совершенствовании данных систем.
В качестве примера рассматривается рабочий режим системы термостатирования, использующей для охлаждения и осушения потока воздуха цикл воздушной холодильной машины [1]. При давлении 1,0 МПа и температуре +3 °С на входе в объект термостатирования влагосодержание воздуха должно составлять не более 0,3 г/кг сухого воздуха, что соответствует относительной влажности около 100 % при давлении 1,0 МПа. Влажный воздух рассматривается как двухкомпонентная смесь влаги и сухого воздуха, процесс осушения в мембранном осушителе проходит изотермически.
Традиционная технологическая схема ВСОТР представлена на рис. 1.
Детандер в данной системе, помимо охлаждения потока воздуха за счет расширения до рабочего давления ВСОТР 1,0 МПа, обеспечивает осушение методом конденсации в теплообменниках ТО3 и ТО4 до заданного остаточного влагосодержания.
Поток воздуха сжимается в компрессоре до 1,8 МПа и охлаждается в каскаде теплообменников сначала оборотной водой, а на более низком температурном уровне с помощью холодного обратного потока воздуха после его расширения в детандере (точка 7 на рис. 1). На выходе из ВСОТР после расширения до давления 1,0 МПа влагосодержание воздуха соответствует температуре точки росы не ниже +3°С (точка 10 на рис. 1). Очевидно, что дальнейшее снижение влагосодержания воздуха за счет конденсации невозможно из-за перехода при температуре ниже 0 режима конденсации в режим инееобразования [2].
Существенным недостатком конденсационного осушения сжатого воздуха является известное явление туманообразования над поверхностью охлаждения в теплообменниках, возникающее за счет перехода состояния влажного воздуха в зону пересыщения. Данное явление снижает эффективность подготовки воздуха в системе, повышает реальные параметры влажности над заданными расчетными [3]. Эффективная работа традиционной схемы подготовки воздуха, представленной на рис. 1, в значительной степени зависит от стабильности режимных параметров и поддержания минимальных температурных напоров в теплообменниках-осушителях [2–4].
Таким образом, перечисленные выше проблемы накладывают объективные ограничения на возможность повышения степени осушения воздуха в ВСОТР на базе воздушных холодильных машин, что вызывает необходимость модернизации технологических схем подготовки воздуха.
Более привлекательными для обеспечения стабильности параметра влагосодержания на выходе ВСОТР могут быть технологические схемы с мембранными осушителями. Применение мембранных осушителей в комплексе с ПКХМ позволяет избавиться от детандерной ступени и заменить четырехступенчатый компрессор на менее энергоемкий трехступенчатый. Технологическая схема доработанной системы представлена на рис. 2.
ПКХМ устанавливается в качестве первой ступени осушения воздуха методом конденсации при охлаждении до температуры +5 °С. Такой режим ПКХМ позволяет использовать холодильную машину, избегая ее переохлаждения с последующей необходимостью ее разморозки.
Для расчета рабочего режима в расчетах используются в качестве исходных данных расход сжатого термостатируемого воздуха G = 17500 кг/ч, температура наружного воздуха tн = 25 °С, температура входящего в воздухоохладитель воздуха (начальная температура термостатируемого воздуха) =25 °С, температура выходящего из воздухоохладителя воздуха (конечная температура термостатируемого воздуха) = 5 °С, давление сжатого воздуха, поступающего на воздухоохладитель p = 11 атм. В качестве рабочего тела (хладагента) используется фреон R12. Тогда значение изменение температуры на воздухоохладителе составит °С °С °С. Значения и характеристики полученного рабочего режима ПКХМ представлены на диаграмме Молье на рис. 3 и в таблице.
Значения параметров узловых точек цикла ПКХМ
Точки | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
t, °С | 5 | 10 | 42 | 35 | 31 | 5 |
i, кДж/кг | 554 | 558 | 573 | 432 | 426 | 426 |
p, МПа | 0,35 | 0,35 | 0,8 | 0,8 | 0,8 | 0,35 |
S, кДж/(кг·К) | 4,557 | 4,575 | 4,575 | – | – | – |
На основе полученных данных рабочего режима ПКХМ были проведены теплофизические расчеты и определена потребляемая мощность ПКХМ (мощность электродвигателя компрессора ПКХМ), которая составила:
кДж = Вт = кВт, (1)
где кг/ч – массовый расход хладагента, циркулирующего в машине; – индикаторный КПД холодильного компрессора; – механический КПД; – КПД электродвигателя; кДж/(кг·К) – удельная молярная теплоемкость воздуха.
Блок мембранных осушителей обеспечивает окончательное осушение потока воздуха до требуемой точки росы. Поскольку мембранные осушители имеют невысокую пропускную способность, блок мембранного осушения представляет собой несколько осушителей, установленных параллельно.
Мембранные осушители имеют возможность осушить поток до точки росы значительно ниже требуемой потребителем. В конструкции устанавливается байпас с возможностью регулирования расхода потока через него, который обеспечивает возможность регулирования конечного значения влажности потока, избежания его чрезмерного осушения и оптимизации потерь на продувку мембран за счет повышенной точности настройки рабочего режима потока. Расчетная схема блока мембранных осушителей представлена на рис. 4.
Для оценки фактических потерь, как доли потерянного сжатого воздуха компрессора на продувку мембран S, рассмотрен массовый баланс потоков влажного и сухого воздуха:
, (2)
где G2 – массовый расход воздушного потока на выходе из концевого охладителя компрессора (точка 2), кг/с; G4 – массовый расход потока воздуха на входе в детандер (точка 4), кг/с; G5 – массовый расход воздуха на продувку мембраны (точка 5); GБ – массовый расход потока воздуха на байпасе, кг/с; GМ – массовый расход воздуха на входе в мембрану.
Массовый баланс влаги при смешении потоков в точке 4 (перед детандером) выражается следующей формулой
(3)
где d4 = 0,3 – влагосодержание потока на выходе из системы, определяемое техническим заданием, г/кг; d3 – влагосодержание потока на выходе из мембранного блока (параметр мембранного осушителя), г/кг; d2 = 1,75 – влагосодержание потока до мембранного блока (соответствует исходным данным влагосодержания воздуха после концевого охладителя компрессора), г/кг.
Тогда доля потока, направляемая на байпас xБ будет определяться по формуле
(4)
где – потери потока на продувку мембраны (параметр мембранного осушителя).
Значения d2, d3 и d4 определяются согласно диаграмме, изображенной на рис. 3 с учетом известных значений и TP0 (значение точки росы после концевого охладителя компрессора).
Таким образом, доля фактических потерь S на продувку мембран, возникающих в схеме с байпасом, будет определяться по следующей формуле:
(5)
Количество параллельно соединенных мембранных модулей n определяется по формуле
(6)
где QТ – объемный расход потока воздуха на потребитель, определяемый техническим заданием, нм3/ч; QМi – объемный расход одного мембранного модуля, нм3/ч; QМ – объемный расход мембранного блока, нм3/ч.
Согласно расчетной схеме и характеристикам мембранных осушителей из открытых источников, при осушающей способности мембранного осушителя понизить точку росы на –32 °С и потерях в 10 % от входного расхода на продувку мембраны, доля потока на байпасе составит около 40 %, а суммарные потери на продувку в расчетной схеме около 6 %. При пропускной способности одной мембраны около 500 нм3/ч, потребуется установка 20 параллельных осушителей [5].
На основе полученных значений был подобран трехступенчатый компрессор, способный обеспечить подачу сжатого воздуха давлением 1,0 МПа с расходом 260 нм3/мин [6]. Данная модель компрессора имеет потребляемую электрическую мощность 1800 кВт, в то время как потребляемая мощность исходного четырехступенчатого компрессора составляла 2500 кВт.
Таким образом, несмотря на повышение расхода потребляемого компрессором воздуха из-за возникающих потерь на обдувку мембранных осушителей, с учетом данных потерь и энергопотребления ПКХМ, суммарное энергопотребление доработанной системы с мембранными осушителями будет на 25 % ниже системы, работающей по традиционной схеме, что приводит к значительному снижению эксплуатационных расходов.
Разработанный в рамках данной работы проект блока осушения воздуха системы термостатирования обеспечивает возможность получения осушенного воздуха в широком диапазоне характеристик расхода и влагосодержания методом двойного регулирования режима: за счет изменения доли потока в байпасе и изменения доли дренажного потока мембранного блока. Данный метод регулирования также обеспечивает возможность точной настройки требуемого режима, что в свою очередь приводит к повышению технологичности и снижению излишних затрат энергии.
Проведенный обзор и анализ существующих мембранных технологий и технических средств на отечественном рынке раскрывает возможные пути их применения и адаптации к реалиям и задачам систем термостатирования стартовых комплексов. Характеристики зарубежных моделей мембранных осушителей и известная практика их применения в системах подготовки и осушения сжатого воздуха подтверждают возможность и перспективность применения подобных разработок в воздушных системах обеспечения температурного режима космодромов.
