автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Создание и исследование аппаратов низкотемпературной техники с фазовыми превращениями на рабочих поверхностях

На правах рукописи УДК 621.1.016

СМОРОДИН АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ АППАРАТОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕХНИКИ С ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ НА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ

Специальность 05.04.03. Машины, аппараты и процессы

холодильной и криогенной техники, системы кондиционирования и жизнеобеспечения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в ОАО "КРИОГЕНМАШ" и МГТУ им. Н.Э. Баумана

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор А.М. Архаров

Официальные оппоненты: доктор технических наук Красникова O.K.;

доктор технических наук, профессор Иванов Б.А.;

доктор технических наук, профессор Борзенко Е.И.

Ведущая организация: ФГУП Научно-исследовательский институт химического машиностроения (НИИХИММАШ), г. Пересвет Сергиево-Посадского р-на М.О.

Защита состоится 01 июля 2004 года в 14— час. на заседании диссертационного совета Д.212.141.16 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, Лефортовская наб., д. 1, корпус факультета "Энергомашиностроение".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Ваш отзыв на автореферат в 2 экз., заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 105005. г. Москва, 2-ая Бауманская, д.5, Ученому секретарю диссертационного Совета Д.212.141.16.

Автореферат разослан "28" мая 2004 г.

Желающие присутствовать на защите должны заблаговременно известить совет письмами заинтересованных организаций на имя председателя Совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.141.16 пп л

кандидат технических наук /£ Х-т Глухов С.Д.

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации обусловлена расширяющимся применением в индустриально развитых странах жидкого водорода, кислорода, а в последние годы озона для реализации экологически чистых процессов в основных отраслях промышленности, обеспечивающих ускоренный прогресс общества.

Одной их важнейших особенностей водорода, кислорода и озона является их экологическая нейтральность: процессы, в которых они участвуют, являются, как правило, экологически чистыми. Применение кислорода и озона, например, для отбеливания целлюлозы взамен хлора, очистки жидких радиоактивных отходов, рециклинга отработанных автомобильных покрышек и многое другое позволяют надеяться, что природа - будет в определенной степени защищена.

Применение водорода в качестве топлива в авиации, ракетно-космической технике и на автомобильном транспорте сдерживается высокой стоимостью получения жидкого водорода по сравнению с традиционными топливами. Одной из особенностей технологии получения жидкого параводорода является процесс орто-парапревращения, сопровождающийся выделением теплоты за счет переориентации ядерных спинов, энергетические затраты на который могут составлять до 30 % всех затрат на ожижение. Очевидно, что рациональное проведение процесса орто-парапревращения является одним из определяющих факторов, влияющих на общую экономичность, поэтому необходимы проведение поисковых исследований, разработка методов расчета и создание эффективных и компактных аппаратов-конверторов.

Применение жидкого кислорода в ракетно-космической технике в значительной мере, определяется уровнем его охлаждения вплоть до температуры тройной точки. Охлаждение кислорода до температуры 57 К в процессе заправки космического корабля "Буран" осуществлялось за счет потока газообразного водорода с температурой 17 К с использованием промежуточного теплоносителя - гелия. Процесс охлаждения кислорода в теплообменном аппарате происходит в неординарных условиях, когда значительная величина теплообменной поверхности имеет температуру ниже температуры тройной точки кислорода (54,3 К), что предопределяет исследование закономерностей теплообмена и гидравлического сопротивления в этих условиях и поиск путей снижения негативного влияния образовавшейся твердой фазы.

Озон занимает особое место среди традиционно применяемых окислителей, отличаясь высокой реакционной способностью и нестойкостью. Применение озона способствует созданию экологически лояльных производств. Основными технологическими процессами, в которых применение озона технически и экономически оправдано, являются:

- очистка (обеззараживание) питьевой воды;

- очистка промышленных стоков (в металлургии, нефтепереработке, на целлюлозно-бумажных комбинатах, на автомойках и др.);

- бесхлорное отбеливание целлюлозы;

- переработка жидких радиоактивных отходов;

- рециклинг изношенных автопокрышек.

Электросинтез озона в газовом барьерном разряде является единственной из известных реакций, происходящих с образованием озона из кислорода. Эта реакция эндотермична, ее тепловой эффект равен 142 кДж/моль, а молекула озона по сравнению с кислородом обладает значительным запасом внутренней энергии. Окислительные реакции с озоном возможны при нормальных давлениях и температурах.

В настоящее время генераторы для производства озона, созданные крупнейшими американскими и европейскими фирмами за все годы своего существования, представляют из себя- кожухотрубный теплообменный аппарат с прямыми трубами длиной до 3 метров, в которые установлены стеклянные трубы (в виде колб) со слоем алюминия на внутренней поверхности трубы. Зазор между стеклянной и металлической. трубами -составляет 0,7 - 2,0 мм. В одном аппарате производительностью 25-30 кг озона в час концентрацией 15-20 гО3/м3 количество таких труб достигает 850 штук. Удельный выход озона с единицы поверхности составляет 0,8-1,2 г/ч-дм2. Появившаяся в последние годы новая технология "АТ-95", по которой вместо стеклянных устанавливают покрытые стеклоэмалью несколько коротких труб длиной 0,53 м, позволила увеличить этот показатель до 2,4 г/ч-дм2. Но, по-видимому, это тот предел, который невозможно преодолеть, т.к. при такой конструкции генератора- озона и электродов невозможно организовать внутреннее охлаждение электрода. Поэтому был необходим поиск новой конструкции электродов и на их основе новой конструкции генератора озона, которые бы обеспечили более высокий выход озона с единицы поверхности, что дает существенное уменьшение активной поверхности электродов и металлоемкости генератора озона.

Общим для процессов орто-параконверсии водорода, охлаждения кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки и получения озона из кислорода (или воздуха) являются фазовые переходы на границе раздела взаимодействующих сред и экологическая значимость этих процессов. По этой причине такие разные по своей сути процессы объединены в данной работе.

Цель работы - Теоретическое и экспериментальное исследование процессов теплообмена с фазовыми- превращениями на рабочих поверхностях, разработка методов расчета аппаратов, основ их конструирования и создание промышленных образцов изделий низкотемпературной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо было:

- разработать теорию процесса орто-параконверсии водорода при различных способах его реализации в адиабатических, изотермических и политермических условиях, на основании которой установить взаимосвязь основных конструктивных и технологических параметров, обеспечивающих проведение процесса;

- разработать методы расчета аппаратов орто-параконверсии и основы проектирования системы конверторов ожижителей водорода низкого, среднего и высокого давлений;

- получить экспериментальные данные по локальному распределению температур и содержанию параводорода в аппаратах при различных методах реализации процесса орто-параконверсии;

- изучить особенности теплообмена при охлаждении жидкости хладагентом, имеющим температуру на входе в аппарат ниже температуры тройной точки охлаждаемой жидкости; на основании проведенных исследований предложить эффективные решения реализации процесса;

- разработать методику расчета аппаратов и определить условия, при которых влияние образовавшейся на разделительной поверхности твердой фазы минимально;

- выявить закономерности конвективного теплообмена с учетом образовавшейся на поверхности раздела взаимодействующих сред твердой фазы;

- установить взаимосвязь между характеристиками процесса получения озона и конструктивными параметрами системы электродов на основе представления об "идеальном" генераторе озона;

- разработать оптимальную конструкцию электрода и блока электродов и провести исследования их гидравлических, прочностных и адгезионных характеристик;

- создать и исследовать опытно-промышленный генератор озона, изготовленный с применением нетрадиционных технологий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- развита теория процесса орто-параконверсии водорода при различных способах его реализации в адиабатических, изотермических и политермических условиях, на основании которых установлена взаимосвязь основных параметров, обеспечивающих проведение процесса в оптимальных условиях;

- полученные теоретические результаты положены в основу создания методов расчета аппаратов орто-параконверсии и основ проектирования сложных систем орто-параконверсии для ожижителей водорода низкого, среднего и высокого давлений в интервале температур от 68 до 24 К;

получены новые экспериментальные данные по локальному распределению температуры и содержанию параформы в потоке водорода

высокого давления в реальном процессе его охлаждения в слое катализатора, которые подтвердили основные положения разработанной теории;

- впервые в мировой практике предложен способ охлаждения кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки (57 К) гелием высокого давления, циркулирующим в замкнутом контуре и охлаждаемым потоком газообразного водорода с температурой 17 К;

- на основе результатов экспериментальных исследований процесса охлаждения модельной и реальной жидкостей хладагентом с температурой ниже температуры тройной точки показана возможность применения для расчетов аппаратов-охладителей .зависимостей по теплообмену и гадравлическому сопротивлению для пучков труб при величине комплекса GгPг2'75/Re2<12;

- сформулировано представление об "идеальном" генераторе озона, позволившее выявить критические параметры и разработать на этой основе конструкцию промышленного генератора озона с предельно низкими массогабаритными показателями и более низкими затратами электроэнергии на получение одного килограмма озона.

Научная новизна работы подтверждена семью патентами РФ.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Впервые в отечественной практике на крупнотоннажном ожижителе водорода (агрегат 501М-1) реализован разработанный процесс политермической орто-параконверсии в интервале температур от 63 до 34 К при этом была достигнута проектная производительность ожижителя водорода, что обеспечило выполнение программы "Энергия-Буран".

2. Создана уникальная промышленная криогенная система охлаждения кислорода с комплексным использованием криогенных продуктов, высокой надежностью и малым энергопотреблением, включающая аппарат непрерывного охлаждения кислорода, которая позволила обеспечить заправку космического корабля "Буран" жидким кислородом с температурой близкой к температуре тройной точки (57 К).

3. Разработаны и исследованы пластинчатые электроды генератора озона, не имеющие аналогов, обеспечивающие высокую степень эквидистантности разрядного промежутка длиной 0,5 мм, имеющие двусторонний диэлектрический барьер и двустороннее охлаждение. Пластинчатые электроды использованы при разработке уникального генератора озона производительностью 25 кг озона в час, установленного на Восточной водопроводной станции (г. Москва) для целей очистки питьевой воды.

Достоверность результатов исследований обеспечивалась:

- применением аттестованных измерительных средств и апробированных

методик измерения;

- хорошей повторяемостью полученных результатов измерений;

- соответствием полученных экспериментальных данных результатам

расчетов;

- промышленными испытаниями и эксплуатацией созданного оборудования. На защиту выносятся:

- теоретические и экспериментальные исследования процесса орто-параконверсии в аппаратах адиабатического, изотермического и политермического типа; результаты исследований при различных методах его реализации с получением локальных данных о характере распределения температур и содержания параформы;

- результаты реализации процесса орто-параконверсии на температурном уровне от 63 до 34 К в режиме политермической конверсии на крупнотоннажном ожижителе водорода 501М-1;

- способ охлаждения жидкого кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки по схеме комбинированного охлаждения;

- экспериментальные данные по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению при течении в межтрубном пространстве теплообменника воды и жидкого кислорода в условиях фазового перехода на поверхности теплообмена;

- результаты исследования гидродинамической обстановки за "чистым" пучком труб: распределение температуры по высоте канала без перемешивания и с дополнительным перемешиванием потока, количественное соотношение, обеспечивающее протекание процесса теплообмена в условиях равномерного намерзания твердой фазы на поверхности теплообмена;

- результаты испытаний промышленной криогенной системы охлаждения жидкого кислорода до температуры 57 К с комплексным использованием криогенных продуктов;

- экспериментальные результаты по исследованию характеристик разработанных пластинчатых электродов генератора озона;

- экспериментальные данные, полученные на лабораторном и опытно-промышленном генераторах озона, оснащенных пластинчатыми электродами новой конструкции.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и

обсуждались на:

- Всесоюзной конференции по стендовой отработке промышленных систем (Нижняя Салда, СССР, 1985);

- Всесоюзной научной конференции "Научно-технические проблемы и достижения в криогенной технике" "Криогеника-87" (Москва, СССР, 1987);

- IV Всесоюзной конференции Электрические методы и средства измерения температуры "Электрометрия-88" (Луцк, СССР, 1988);

- Международной научно-практической конференции "Криогенная техника науке и производству" "Криогеника-91" (Москва, РФ, 1991);

- П-ом Минском международном форуме по тепло-массообмену (Минск,

1992);

- 1-ой Международной авиакосмической конференции "Человек - Земля -Космос" (Москва, РФ, 1992);

- Международной Академии холода. Секция "Криогенная техника" (Москва, РФ, 1995); '

- 45-ой Всемирной выставке изобретений, исследований и новых промышленных разработок "BRUSSELS EUREKA-96";

- Международной конференции по производству и применению озона для питьевых и сточных вод "ECWATECH-98" (Москва, РФ, 1998);

- V Симпозиуме "Электротехника-2010" (Московская область, РФ, 1999);

- Международном форуме "Энергетика и общество-2000" (Москва, РФ, 2000);

- V Международном салоне промышленной собственности. Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки "Архимед-2002" (Москва, 2002);

- VII Симпозиуме "Электротехника 2010 год" (Московская область, РФ, 2003).

Личный вклад автора заключается в проведении теоретических и экспериментальных исследований, в разработке конструкции аппаратов для реализации процесса орто-параконверсии, теплообменника для охлаждения жидкого кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки и генератора озона с пластинчатыми электродами и внедрении этих аппаратов в промышленные установки.

Все вошедшие в диссертационную работу результаты получены лично автором либо при его непосредственном участии. Работы, по материалам которых написаны разделы 2.3-2.4, 3.1-3.2, 4.3 выполнены с соавторами (A.M. Архаров, А.Л. Шуяков, В.Ю. Семенов, М.М. Пашин).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 36 печатных работ, в том числе 2 книги и 7 патентов РФ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы из 130 наименований. Работа изложена на 298 страницах машинописного текста, содержит 119 рисунков, 33 таблицы и 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

В первой главе сделан краткий обзор работ отечественных и зарубежных авторов, выполненных в области разработки аппаратов криогенной техники с химическими и фазовыми переходами на поверхности раздела взаимодействующих сред. Сформулированы требования к аппаратам, а также цели и задачи исследования. Приведено краткое содержание разделов диссертации.

В своих исследованиях автор опирался на работы A.M. Архарова,

B.П.Белякова, Р.А.Буянова, И.И.Иоффе, А.В.Лыкова, А.И.Леонтьева,

C.Н.Шорина, А.А. Гухмана, Б.С. Петухова, Н.В.Филина, В.В.Лунина, Ю.В.Филиппова, В.И. Гибалова, А. Жукаускаса,, С. Вейласа, А. Форкаса, в которых рассмотрены теоретические и прикладные вопросы тепло-массопереноса, орто-парапревращения водорода, охлаждения криогенных жидкостей, синтеза озона.

Вторая глава посвящена исследованию процессов орто-параконверсии при ожижении водорода.

Процесс орто-парапревращепия является сложно взаимосвязанным тепло-массообменным процессом и относится к классу гетерогенно-каталитических экзотермических реакций. Теплота конверсии может отводиться одновременно с проведением реакции или в последующих стадиях, соответственно процесс аппаратио осуществляется в реакторах изотермической, политермической (непрерывной) или адиабатической конверсии.

Адиабатический конвертор представляет собой аппарат емкостного типа, заполненный катализатором. Двигаясь через него, продукционный поток претерпевает орто-парапревращение. Следствием экзотермичности реакции является повышение температуры реагирующего газа, что ведет к понижению равновесной концентрации, однозначно связанной с температурой. Движущей силой процесса является неравновесность орто-парасостава. После прохождения адиабатического конвертора поток направляется в теплообменный аппарат, где отводится теплота конверсии, за счет чего достигается неравновесность, соответствующая следующему температурному уровню, после чего процесс повторяется.

Равновесная концентрация Ср является функцией температуры (рис. 1). Для рассматриваемых процессов рабочая область располагается в интервале 22 К < Т < 78 К, где линия равновесия может быть описана полиномом второй степени, а для более узкой области температур - линейной

зависимостью. Q%

100 80 60 40 20

Рис. 1. Процессы изотермической (1), адиабатической (3), политермической (непрерывной) (4) орто-параконверсии и теплообмена (2)

Здесь и далее моделирование гетерогенно-каталитического процесса орто-

парапревращения проводилось при следующих допущениях: предполагалось, что процесс определяется • скоростью самой химической реакции; аппарат является реактором идеального вытеснения (все элементарные объемы газа проходят через реактор за одинаковое время и претерпевают одинаковую последовательность изменения температуры, давления и. концентрации), физические свойства постоянны; удельная теплота орто-параперехода постоянна; константа скорости химической реакции не зависит от температуры; катализатор является нерегулярной однородной структурой.

При сделанных допущениях процесс адиабатического орто-пара-превращения и линейной аппроксимации равновесной кривой описывается системой дифференциальных уравнений:

ау в

-(Ср-с)

асг

ау

в-Ст

■(ср-с)

(1)

Начальные условия: V = 0; С = С0; Ср = Ср.о.

(Ср.0.-С0)ст

С = С0

ср=с0 +

В§ + ст

(рр.о. ~^-о)'ст В8 + ст

ехр -

(В8 + ст)-Кр-У

-1

сх

ехр

ст в

(В8 + ст)-Кр.у СТ-С

+ 1

(2)

(3)

где Ср - равновесная концентрация пара-формы;

- начальная концентрация пара-формы;

- изобарная теплоемкость реагирующего потока;

- текущий объем катализатора;

- массовый расход;

- коэффициент скорости химической реакции;

- удельная теплота орто-параконверсии;

В - коэффициент аппроксимации равновесной кривой;

Ср.о. - начальная равновесная концентрация пара-формы.

Решение системы представлено экспоненциальными функциями; что свидетельствует об асимптотическом характере процесса, стремящегося к некоторым предельным значениям, зависящим главным образом от начальной неравновесности по орто-парасоставу:

(Ср.о. )-ст

С=с0+-

ВБ + С!

(4)

Далее приводятся зависимости, учитывающие кривизну линии равновесия.

Рассматриваются особенности применения высокоактивных катализаторов, обеспечивающих эффективное протекание процесса. Моделируется процесс при переменной по длине реактора константе скорости химической реакции, рассмотрено влияние для этого случая взаимной ориентации активирующего и продукционного потоков.

Осуществлено моделирование процесса орто-парапревращения при условии отвода теплоты реакции кипящим хладагентом. Учтено взаимное влияние реакции орто-парапревращения и теплообмена. Уравнения, описывающие изменение концентрации и температуры по длине аппарата, представлены в виде:

с|С = Кр сИ О

сГГ с1* '

•(А-ВТ-С)—

4К

г(Т-Та)

(5)

где

с^ • й О ■ с-р • (3

А, В - коэффициент аппроксимации равновесной кривой орто-парасостава;

текущая продольная координата реактора; К - коэффициент теплопередачи; Т - текущая температура реагирующего потока; Та - температура хладагента. Коэффициент теплопередачи К включает в себя зависящий от плотности теплового потока, коэффициент теплоотдачи со стороны кипящего хладагента. С учетом последнего обстоятельства:

(6)

(7)

(8)

Изменение температуры Т по длине аппарата, как показывает анализ уравнения (7), может иметь экстремальный характер. Координата и максимальное значение температуры реагирующего газа определяются выражениями:

(10)

Максимальная разность температур определяет максимальную плотность теплового потока, которая из условий устойчивой работы аппарата не должна превышать критического значения, ограничивающего область режима пузырькового кипения, то есть должно выполняться условие:

Последнее соотношение позволяет путем варьирования технологическими и конструктивными параметрами аппарата избежать попадания в кризисные области.

Рассмотрены процессы политермической конверсии. Наиболее близким к равновесному является процесс, при котором текущая концентрация пара-формы изменяется эквидистантно равновесной кривой. Такой характер распределения позволяет путем увеличения поверхности теплообмена и объема катализатора приблизить процесс к идеальному.

Для процесса орто-парапревращения, в котором равновесная концентрация параформы возрастает с уменьшением температуры, наилучшего приближения к равновесному можно ожидать при совмещении процесса охлаждения и реакции. Постоянная разность между текущей и равновесной концентрациями предопределяет постоянную мощность выделения теплоты орто-парапревращения, а следовательно, для ее отведения требуется постоянная разность температур, для обеспечения которой более всего пригодна противоточная схема.

Таким образом, задача по максимальному приближению процесса к равновесному сводится к организации процесса с постоянными разностями температур между прямым и обратным потоками и постоянной разностью между равновесной и текущей концентрациями пара-формы.

При моделировании этого процесса кроме ранее принятых допущений предполагалось, что линия равновесия линейна, коэффициенты теплоотдачи не зависят от температуры, радиальные градиенты температуры и концентрации отсутствуют.

Математически задачи выглядят так:

Краевые условия:

В общем случае система имеет решение:

С = -В

с,+-

крс2

КрС3

Кр + СТХ2 Кр + С^рХз

Тт = С] + С2 -ехр(\2^) + С3 -ехр(А.3£)+А/В

4К С2 Л 4К С3

(13)

тх=с1 +

4К-Л2ОхсхО

•ехр(Х2Л +

4К-Х3ОхсхО

ехр(А.3£) + А/В

Как видно, процесс в общем случае имеет весьма сложный характер, зависящий от параметров и краевых условий. Кроме того, наличие в решении экспонент с различными знаками предполагает возможность экстремального изменения температуры реагирующего газа. На рис. 2 приведены изменения температур и концентраций по длине аппарата при различных соотношениях конструктивных и технологических параметров. Из анализа характеристического уравнения следует, что существует определенное соотношение между прямым и обратным потоками, а именно:

(Вв + Ст)-Стст

(14)

коэффициент при линейном члене обращается в ноль, что приводит к появлению линейного слагаемого в решении системы:

(15)

Рис. 2. Сопоставление опытных и расчетных данных:

I- ДС = 2,5 % ф = 1,44 (.); 2- ДС = 11,7 % ф - 1,08 (0);

3- ДС = 26 % ф = 0 (д); 4- ДС = 14 % ф = 2,5 (0);

Как видно из полученного результата, процесс имеет достаточно сложный характер и условие постоянной разности между текущей и равновесной концентрациями не достигается. С точки зрения физики процесса понятно, что подачей в аппарат продукта, значительно отличающегося от равновесного состава, можно вызвать тепловыделение большее, чем позволяет отвести существующая разность температур. Отсюда возникает вопрос о начальных условиях, способных обеспечить равномерное протекание процесса.

Анализ константы интегрирования С\ приводит к выводу, что существует соотношение между начальными условиями и параметрами, обращающими ее в "О", а именно:

х0 т-0

'х ~

Кг

•(А-ВТо-Со).

Ь + ((Вв + ст)-ОтБХ.3)'4К В-ат Тогда решение системы описывается линейными уравнениями:

Кг

С = С0+-^-(А-ВТ0-С0)-г

(16)

(17)

Тт=Т?~

кп

(А-ВТо-Со)^

ВОт

Таким образом, найденное, решение полностью удовлетворяет поставленной задаче: найдены условия, при которых изменение текущей концентрации пара-формы всюду эквидистантно равновесной кривой, разность температур между потоками постоянна:

(В§ + сх)ОКр

Тг-Тх =-

С„-С = А-

4КВ А-ВТо - Со

•(А-ВТо-Со)

Процесс реализуется наиболее близким к равновесному способом. Для проверки адекватности разработанных моделей реальному процессу в составе опытно-промышленной установки сжижения водорода был разработан экспериментальный аппарат-конвертор, позволивший реализовывать различные методы орто-парапревращения.

Принципиальная схема узла орто-параконверсии криогенной полупромышленной установки представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема полупромышлснпой экспериментальной установки

Поток нормального водорода (с 100...250 нм3/ч и давлением 12,0 МПа) проходил аппараты конверсии 1,2 в изотермических условиях, затем поступал в теплообменный аппарат 3 и направлялся в опытный конвертор 4. Затем водород высокого давления дросселировался до давления 0,1.-0,3 МПа и поступал в аппарат 6, где при температуре кипения жидкого водорода завершался процесс орто-парапревращения. Схема установки позволяла варьировать величину прямого и обратного потоков и их соотношения, а также температуру прямого потока на входе в аппарат.

Исследование процессов политермической и адиабатической конверсии проводилось на кожухотрубном аппарате. Количество труб - 18, диаметр 25 х 2 мм, длина 2200 мм. Трубное пространство заполнялось катализатором, межтрубное пространство для интенсификации теплоотдачи заполнялось инертной алюминиевой насадкой (рис. 4,5).

Рис. 4. Экспериментальный аппарат-конвертор:

1,2- вход и выход прямого потока; 3,4- вход и выход обратного потока;

4, 5,6 - места установок датчиков . темпертуры и пробоотборников

Рис. 5. Схема размещения датчиков измерения температуры прямого и обратного потоков и анализных капилляров для отбора проб орто-парасостава водорода: 1- датчик температуры ТСП 4050; 2- термопара медь-железо; 3- пробоотборный капилляр; 4- реакционная трубка; 5- обечайка; 6- места размещения катализатора; 7- место размещения алюминиевой насадки

В ходе экспериментов фиксировались значения расходов прямого и обратного потоков, а также температуры: в двух точках для аппаратов изотермической конверсии и в пяти точках для аппаратов непрерывной и адиабатической конверсии. Соответственно из двух и пяти точек производился анализ содержания орто-параводорода, фиксировались значения давления прямого и обратного потоков.

Проведенный расчетный анализ и результаты, полученные при исследовании процесса • политермической орто-параконверсии в экспериментальном аппарате-конверторе (рис. 4), позволили выявить ряд факторов, влияющих решающим образом на работу аппарата непрерывной конверсии. К ним в первую очередь следует отнести соотношение расходов прямого и обратного потоков ввиду очевидного влияния этого фактора на тепловой баланс аппарата. Эффективность процесса определяет начальная величина неравновесности орто-парасостава - движущая сила процесса.

Существенно влияние "абсолютной" нагрузки, так как очевидно, что избыточная поверхность теплообмена и объем катализатора способны оказывать нивелирующие влияние на отрицательные воздействия. Полученные результаты можно обобщить следующим образом. - Эффективность работы конвертора зависит от соотношения прямого и обратного потоков. Двукратное соотношение обеспечивает равномерное

протекание процесса по всей длине аппарата.

- Уменьшение соотношения прямого и обратного потоков отрицательно сказывается на работе аппарата, приводя к увеличению недорекуперации и пониженным значениям концентрации пара-формы.

- Положительно влияет на ход процесса наличие 5-7 % начальной неравновесности орто-парасостава. Влияние этого фактора особенно заметно при больших нагрузках. В сочетании с указанным соотношением прямого и обратного потоков начальная неравновесность обеспечивает равномерное протекание процесса по всей длине аппарата.

Полученный экспериментальный материал хорошо согласуется с расчетными данными. УстановленоЛ что необходимым условием приближения процесса к равновесному является соблюдение соотношения (14). Подстановка параметров, полученных из эксперимента, приводит к отношению Ох/От = 2,2. Именно такое соотношение потоков соответствует наиболее' эффективным режимам. Эмпирически выявленная величина начальной неравновесности для исследуемого аппарата, благоприятно влияющая на ход процесса, составляет 5...7 %. Расчет по зависимости (16) приводит к величине оптимальной начальной неравновесности 5,7 %.

Исследование адиабатического режима проводилось на том же аппарате. Адиабатический режим организовывался подачей в аппарат только прямого потока водорода, в то время как обратный поток полностью отключался. Процесс изменения концентрации пара-формы и температуры реагирующего газа, как это было показано (2), (3), имеет асимптотический характер. Максимально достижимые параметры находятся в прямой зависимости от начальной концентрации пара-формы и величины исходной неравновесности. Наиболее интенсивно процесс протекает во входной части аппарата.

Экспериментальное исследование процесса изотермической конверсии проводилось на двух температурных уровнях - жидкого азота и жидкого водорода. Изотермическая конверсия с азотным охлаждением проводилось в кожухотрубном аппарате, состоящем из 37 труб с внутренним диаметром 19 мм, длиной 2,5 м, заполненных катализатором. В межтрубное пространство подавался жидкий азог. Каталитический реактор на уровне температур 22 К представлял собой вертикально расположенную трубу 168 х 4, высотой 2340 мм, заполненную катализатором и помещенную в ванну жидкого водорода.

Установлено соответствие выходных значений температур и концентраций принятым моделям. Для изотермической конверсии в жидкой фазе экспериментально установлено, что при исходной неравновесности более 12 % процесс выходит за рамки модели идеального вытеснения, что ведет к его пониженной эффективности. ,

На рис. 6 представлена схема модернизированного узла промышленного ожижителя водорода высокого давления -агрегат 501М-1. При его создании использовались основные результаты, полученные в настоящем исследовании. Продукционный поток перед поступлением в непрерывный конвертор предварительно охлаждался на 5...7 К по сравнению с температурой выхода из изотермического конвертора, что обеспечивало создание начальной величины неравновесности орто-парасостава. В аппарате конверсии применялся катализатор "Феррогель-1", отличающийся более простыми условиями активации и большим значением константы скорости химической реакции по сравнению с катализатором ИК-5-4. Организация аппарат непрерывной конверсии; III-рефрижераторного цикла обеспечивала теплшбмштш аппарат; ванна

_ жидкого водорода; V- аппарат

необходимое соотношение прямого и изотермической конверсии; VI, VII-обратного потоков. Процесс непрерывной дроссели; VIII- детандер

конверсии проводился в кожухотрубном аппарате: количество труб - 367, длина труб -6 м, диаметр- Ф 32 х 2 мм.

Таким образом, технические решения низкотемпературного узла ожижителя водорода - агрегата 501М-1 позволили добиться его устойчивой работы в расчетном режиме с получением 500 кг жидкого водорода в час, что обеспечило выполнение космической программы "Энергия-Буран".

Третья глава посвящена процессам охлаждения жидкого кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки. Приведены результаты испытаний на модельных стендах и результаты работы системы охлаждения жидкого кислорода до температуры 57 К в составе ракетно-космического комплекса во время подготовки и запуска системы "Энергия-Буран".

Организация процесса охлаждения кислорода с помощью традиционных методов характеризуется большой энергоемкостью, наличием потерь криопродуктов или требует сложного машинного оборудования. С этой точки зрения перспективным является комбинированный способ охлаждения с комплексным использованием криогенных продуктов. Предложенный процесс охлаждения жидкого кислорода осуществляется парами водорода с температурой 16... 17 К через промежуточный носитель - газообразный гелий, который циркулирует в замкнутом контуре за счет естественной конвекции. Процесс теплообмена между холодным гелием и жидким кислородом происходит в присутствии твердой фазы кислорода на поверхности теплообмена.

Изучение и визуальные наблюдения процесса образования твердой фазы

Рис. 6. Схема низкотемпературного узла ожижителя водорода 501М-1: I- теплообменный аппарат предварительного охлаждения; II-

на разделительной стенке проводилось на системе вода - охлажденный воздух высокого давления. Экспериментальный стенд был выполнен в виде гидродинамического контура открытого типа. Модель представляла собой прямоугольный канал, ограниченный плоскими стенками из оргстекла и заполненный пучком трубок-цилиндров. Всего в канале сечением 130x80 мм размещалось три слоя по 6 цилиндров в каждом. Внешний диаметр цилиндров - 36 мм, внутренний - 6 мм, относительный шаг расположения трубок-цилиндров составляет 1,2 как в радиальном, так и в осевом направлении.

Методика проведения экспериментальных исследований включала визуализацию процесса образования льда и регистрацию следующих параметров: температур стенок трубок, температур входа и выхода хладагента, температуры входа воды, расхода воды и хладагента, вертикального профиля температуры потока воды за последним рядом трубок, гидравлического сопротивления межтрубного пространства, разности температуры теплоносителя (вход-выход). Данная методика реализовывалась при горизонтальном и при вертикальном положении экспериментального участка. Анализ полученных результатов показал, что теплоотдача в условиях образовавшегося льда определяется числом Re и температурным напором.

А

• «.»г»

+

^по1

К ( «ю« г це

а)

Рис. 7. Расчетные и экспериментальные данные по теплоотдаче (а) и --зависимость А. Жукаускаса;---- результаты расчета; А, о - равномерное

При этом возможно существование двух принципиально различных сочетаний режимных параметров. Опытные данные для одного сочетания характеризуются незначительным отклонением от обобщенной зависимости А. Жукаускаса (рис. 7) и соответствуют равномерному обмерзанию трубок модели (рис. 8а). Другому сочетанию экспериментальных данных соответствуют режимные параметры со значительно ухудшенными теплогидравлическими характеристиками. Визуализация процесса показала, что в данном случае образуется своеобразное "байпасное" течение (рис. 86).

Рис 8 Визу&тазация процесса образования льда: равномерное обмерзание пучка (а) и

"байпасное"течение(б)

Анализ результатов измерений вертикального профиля температур потока за пучком трубок, полученных в отсутствии льда на поверхности трубок, показывает, что природа данного явления заключается в возрастающем влиянии естественной конвекции.

Рис. 9. Вертикальный профиль температуры за моделью теплообменника

При хорошем перемешивании потока профиль температур равномерный по высоте канала. С увеличением отношения Сг/Яе2 появляется отчетливо выраженный градиент температуры, величина которого увеличивается с увеличением отношения вг/Ие2 (рис. 9). Такое нарушение устойчивости течения, приводящее в конечном итоге к обмерзанию нижнего слоя трубок, происходит при Ог/Яе2 > 0,04. Полученная величина корреспондируется с данными визуализации и характеризует границу перехода от равномерного обмерзания пучка к "байпасному" течению.

Теоретическое обоснование существования течения потока вязкой жидкости с поперечным градиентом температур оказалось возможным путем численного решения уравнений классической гидродинамики. Целью решения являлось определение поля температур и скоростей движения жидкости в межтрубном пространстве и на выходе из пучка труб.

Решалась система уравнений энергии, движения и неразрывности, записанная в отсутствии внутренних источников теплоты, с учетом зависимости плотности жидкости от температуры, а также при допущении отсутствия диссипации энергии.

Процесс решения системы уравнений сводился к построению рациональной конечно-разностной сетки и в такой постановке задача решалась с использованием прикладного пакета программ "Компасе".'

Анализ полученных профилей температуры показывает, что нарушение симметрии течения происходит уже после первого ряда трубок. За последующими рядами прослеживается тенденция к увеличению вертикального градиента температуры, который достигает максимума за последним рядом. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных проводилось по величине температуры жидкости за пучком трубок и показало их удовлетворительное согласование (рис. 10)

Результаты исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления при вертикальном положении экспериментального участка аналогичны опытным данным, полученным при горизонтальном положении

Для снижения негативного влияния естественной конвекции предложена конструкция витого теплообменника с дополнительным межтрубным перемешиванием потока. Смесители-турбулизаторы располагаются в межтрубном пространстве в сечении, где скорость потока минимальна и представляет собой пространственную спираль, образованную короткими отрезками тонкой упругой проволоки, закрепленной перпендикулярно горизонтальной оси. Появление поперечного градиента температур и возникновение "байиасного" течения происходит для данной конструкции аппарата при числах Ог/Яе2 > 0,08, чю в 2,0-2,5 раза выше аналогичной величины, полученной для гладких пучков.

Рис 10 Расчетные эшоры температур

а) на последней вертикальной линии расчетной сетки перед первым рядом трубок, б) между первым и вторым рядом трубок, в) за последним рядом трубок, о - экспериментальные данные

1 (Математическое моделирование процессов обтекания пучков цилиндров в ограниченной проточной части

потоком вязкой несжимаемой жидкости на основе двумерных уравнений Навье-Стокса Отчет о НИР/Центр

прикладных, исследований при мех -мат фак МГУ им М В Ломоносова, Руковод Г М Кобельков -24с

Отв исп А Г Соколов М-1990) для случая обтекания жидкостью (Рг= 7,8) "чистого" пучка при к с - 730 и

Сг= 1,7 Ю5

Далее приводятся результаты экспериментального исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления в модельных условиях на системе "жидкий кислород - гелий". Экспериментальный стенд представлял уменьшенную копию блока охлаждения реальной системы. В качестве источника холода использовалась криогенная гелиевая установка ХГУ 4000/20. Кроме нее, основное оборудование стенда включало: контур естественной циркуляции гелия высокого давления (15 МПа) с системой контроля и подпитки гелием; контур циркуляции жидкого кислорода с двумя емкостями для хранения жидкого кислорода; контрольно-измерительную аппаратуру. В теплообменное оборудование стенда входили три витых кожухотрубных теплообменника: гелий-гелий, гелий-кислород, кислород-кислород.

Работа стенда осуществлялась следующим образом: гелий высокого давления охлаждался в теплообменнике гелий-гелий потоком гелия низкого давления от ХГУ 4000/20. Естественная циркуляция гелия высокого давления устойчиво существовала за счет разности плотностей гелия и вследствие разновысокой установки теплообменников гелий-гелий, гелий-кислород (разность высот составляла 5 м). Циркуляция охлаждаемого жидкого кислорода через теплообменник кислород-кислород и гелий-кислород осуществлялась за счет "передавливания" кислорода из одной емкости в другую.

Методика проведения экспериментальных исследований включала регистрацию следующих параметров: температур стенок среднего слоя трубок, температур входа и выхода гелия и кислорода, гидравлического сопротивления межтрубного пространства модельного теплообменника, расходов жидкого кислорода и гелия низкого давления (на ХГУ 4000/20).

На рисунке 11 представлены результаты исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления межтрубного пространства модельного теплообменника. Анализ экспериментальных данных показал, что качественная картина, полученная на модельном теплообменнике при работе с жидким кислородом, аналогична результатам, полученным на визуализа-ционной модели при работе с водой в качестве модельной жидкости.

Далее приводится разработанная математическая модель теплообменника с отложениями твердой фазы теплоносителя на границе раздела взаимодействующих сред.

Сопоставление расчетных данных, полученных на основании разработанной модели, с результатами визуализации и эксперимента показывает (рис. 11а и 116) их хорошее согласование. Попытка описать с помощью модели равномерно обмерзшего теплообменника режима "байпасного" течения приводит к существенной погрешности. Из рисунков Па и 116 следует, что существенное различие между расчетными и опытными данными возникает при достижении величины Gr/Re2 £ 0,04 для

воды, и при Ог/Ые2 > 0,36 для жидкого кислорода.

о

¡ и'о> г 4 ' « йе

...............I.

« (О3 г <1 « Не

а)

б)

Рис. 11. Расчетные и экспериментальные данные по теплоотдаче (а) и гидравлическому сопротивлению (б) в условиях наличия льда кислорода:

--зависимость А. Жукаускаса; +, ф - результаты расчета; о - результаты модельных

испытаний; • - результаты промышленных испытаний

После обобщения полученных данных область применения модели равномерно обмерзшего теплообменника определяется следующим неравенством:

что позволяет сделать вывод об ее адекватности модели процессов, протекающих в реальной системе.

Результаты исследований, выполненных в модельных условиях, легли в основу создания промышленной системы охлаждения, предназначенной для заправки и термостатирования кислородных баков космического корабля "Буран" (рис. 12).

Рис. 12. Принципиальная схема системы охлаждения кислорода: 1,2 - емкости жидкого кислорода; 3,4 - центробежные насосы; 5,6 - теплообменники гелий-кислород и гелий-водород; 7 - регулирующая заслонка; 8,9 - опускная и подъемная части контура естественной циркуляции; 10 - расходомер

(22)

Далее приводятся результаты испытаний промышленной системы охлаждения кислорода.

Четвертая глава посвящена разработке, исследованию и созданию генератора озона нового поколения. Приведенные результаты исследований являются продолжением и развитием работ, начатых в МТТУ им.НЭ.Баумана под руководством профессора Архарова А.М.

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные МГУ, МЭИ, ГУЛ ВЭИ, позволили сформулировать требования к "идеальному" генератору озона, обеспечивающие оптимальные условия синтеза озона из кислорода и из воздуха:

- снизить длину разрядного промежутка до величины 0,4-ь0,5 мм при условии сохранения постоянства этого расстояния во всей зоне разряда, что позволяет уменьшить энергозатраты и повысить надежность работы диэлектрического барьера;

- использовать диэлектрический барьер, имеющий высокую электрическую прочность и теплопроводность, и разместить его с обеих сторон разрядного промежутка, что приводит к увеличению выхода озона с единицы поверхности электрода и повышению надежности работы барьера;

- создать интенсивный отвод теплоты от разрядного промежутка с целью предотвращения разложения озона, образующегося при разряде.

Несмотря на то, что работы в области производства генераторов озона ведутся примерно 20-25 крупными фирмами в течение нескольких десятилетий, создать генератор озона, в котором были бы выполнены все вышеперечисленные требования, не удалось. Одна из главных причин состоит в том, что доминирующей конструкцией промышленных генераторов озона является аппарат с трубчатыми высоковольтными электродами (стеклянными или • металлическими), размещенными внутри металлических труб кожухотрубного теплообменника, а такая конструкция не позволяет выполнить эти требования принципиально.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, проведенные в середине 90-х годов ОАО "Криогенмаш" и ГУЛ ВЭИ, позволили разработать объемную тонкостенную конструкцию электрода сложной формы с использованием высокоточной штамповки тонколистовых материалов и их сварки. При выполнении этой работы был решен ряд не типовых конструктивно-технологических задач, обусловленных определенными противоречиями между высокими требованиями к точности эквидистантно-сопряженных криволинейных поверхностей смежных электродов в генераторе озона и возможностями их выполнения для габаритной полой тонкостенной конструкции электродов. За эти годы было создано пять типоразмеров электродов пластинчатого типа (таблица 1).

Исследования разработанных конструкций электродов (таблица 1) на экспериментальных и полупромышленных установках с использованием в

качестве рабочего газ кислорода показали, что можно получить максимальный выход озона с единицы поверхности электрода до 25 г/ч-дм2 с концентрацией до 150 г/м3. Это позволило создавать компактные конструкции генераторов озона с меньшей металлоемкостью.

Таблица 1

№п/п Наружный диаметр, мм Внутренний диаметр, мм Высота, мм

1. 180 45 33,0

2. 180 45 10,0

3. 370 58 40,0

4. 360 58 25,3

5. 475 78 23,0

Постановление Правительства г. Москвы № 787-РП от 08.08.2000 г. "Об организации производства отечественных озонаторных установок большой производительности для систем централизованного водоснабжения" обязывало начать работы по созданию озонаторной установки, работающей на воздухе, и системы охлаждения воды в модульно-контейнерном исполнении для систем централизованного водоснабжения г. Москвы.

Для реализации этого постановления в ОАО "Криогенмаш" был разработан промышленно-экспериментальный генератор озона, производительностью 25 кг озона в час с новой конструкцией электродов диаметром 475 мм (табл. 1). Пластинчатые электроды выполнены из двух гофрированных мембран из нержавеющей стали толщиной 0,8 мм, жестко соединённых между собой и образующих внутреннюю кольцевую полость, имеющую штуцеры входа и выхода воды. Чередующиеся высоковольтные и заземлённые электроды имеют одинаковую конфигурацию активной рабочей зоны. Принципиальная технологическая схема ГО ОВЭ-25 представлена на рис. 13.

Рис. 13. Технологическая схема опытно-промышленного озонатора ОВЭ-25

Генератор озона ОВЭ-25 состоит из четырех автономных озонаторных модулей производительностью по 6,25 кг озона в час, размещенных на общей раме, на которой также крепится арматура и трубопроводы воды и воздуха (рис. 14). Каждый озонаторный модуль запитывается от источника мощностью 100 кВт (напряжение питания ~ 4 кВ, номинальная частота питающего напряжения ~ 7 кГц).

Рис 14 Озонатор ОВЭ-25 в собранном виде перед установкой в контейнер

В состав озонаторного модуля входят два корпуса, в каждый из которых установлено по два блока электродов, по одному с каждой стороны (рис. 15)

Все блоки электродов перед их установкой в корпус генератора озона ОВЭ-25 проходили испытания на специально созданном лабораторном стенде с использованием в качестве рабочего газа кислорода. Испытания показа-ш, что на всех 16 блоках электродов при содержании озона в смеси 80 г/м3 достигнута проектная производительность по озону - не менее 3,15 кг/ч. При этом эффективное напряжение на электродах находилось в интервале 4,2...4,5 кВ.

Удельные энергозатраты на производство озона не превышали 8 кВт-ч/кг озона (при содержании озона 80... 100 г/м3 и производительности 3,15 кг/ч). Следует отметить, что выход озона с единицы активной поверхности электрода опытно-промышленной установки составил

Было также подтверждено, что выход озона зависит только от величины подводимой мощности (в пределах до

Рис 15. Общий вид блока электродов генератора озона

Разрядное расстояние между электродами при изготовлении генератора озона ОВЭ-25 было принято равным 0,6 мм (оптимальное при работе на кислороде). Для определения влияния длины разрядного промежутка на характеристики работы генератора при использовании в качестве рабочего газа осушенного воздуха на первом модуле межэлектродное расстояние было увеличено до 0,8 мм.

В таблице 2 приведены результаты испытаний блока электрод ов-№ 11 модуля №1 при работе на кислороде с разрядным расстоянием 0,6 и 0,8 мм. Как и ожидалось, характеристики работы генератора озона изменились: выход озона снизился, а энергозатраты увеличились.

В таблице 3 представлены результаты сравнительных испытаний модуля №1 при разрядном расстоянии 0,6 и 0,8 мм, выполненные практически при одинаковых условиях: давлении и расходе воздуха. Как видно из таблицы 3, характеристики работы модуля улучшились: увеличился выход озона, а энергозатраты снизились с 18,4 до 16,0 кВт-ч/кгОз

Таблица 2.

Разрядный промежуток, мм Уог, нм3/ч Тводы» °с и,«, кВ ра, кВт г, гОз/нм5 кгОз/ч Ч. кВт-ч/кгОз

25,7 9 3,45 11,8 76 1,95 6,05

5 = 0,6 25,7 9 4,00 23,2 115 2,95 7,86

25,7 10 4,30 28,5 126 3,24 8,80

25,7 10 4,00 11,8 69 1,77 6,86

5 = 0,8 25,7 10 4,30 17,4 89 2,28 7,63

25,7 10 4,40 21,8 100 2,57 8,48

Таблица 3.

Разрядный промежуток, мм ^ветд» нм3/ч Рвозд» Мпа и^ф, кВ Рс1, кВт г, гОз/нм3 С. кгОз/ч Ч. кВт ч/кгОз

6 = 0,6 317 0,145 4,2 66,3 13,4 4,25 15,6

317 0,145 4,2 72,0 14,2 4,50 16,0

317 0,145 4,2 89,2 15,3 4,85 18,4

5 = 0,8 327 0,141 4,4 62,4 13,2 4,30 14,5

327 0,141 4,5 77,7 14,8 4,84 15,9

327 0,141 4,45 81,7 15,6 5,10 16,0

Следует отметить, что геометрические размеры электродов соответствуют расчетной' длине разрядного промежутка равной 0,5-0,6 мм. Увеличение

этою расстояния приводит к росту величины неоднородности электрического поля в разрядном промежутке и, следовательно, к снижению эффективности работы ГО, которая в данном случае ниже, чем повышение эффективности за счет увеличения разрядного расстояния до 0,8 мм.

Производительность генератора озона также в значительной степени зависит от расхода рабочего газа (воздуха или кислорода). Результаты испытаний генератора, полученные при расходе воздуха 660 и 1750 нм3 показывают, что выход озона увеличился с 13,0 до 24,4 кгОз/ч, т.е. при увеличении расхода воздуха в 2,66 раза выход озона возрос в 1,87 раза.

Сопоставление характеристик генератора озона ОВЭ-25, полученных в период приемо-сдаточных испытаний, с параметрами генератора озона французской фирмы'ТгаШЛаз" ИЯ8-850, эксплуатирующегося на Рублевской водопроводной станции (г. Москва), показывает, что при одинаковых энергозатратах ~ 15,4 кВт-ч/кгОз выход озона с единицы активной поверхности электрода составляет 8,1 г/ч-дм2 (для ГО ОВЭ-25), а для ИЯ8-850 - 0,95 г/ч-дм2. Масса генератора озона, приведенная к производительности по озону, составляет соответственно 173 и 432 кг,о/кг0з/ч.

Надежность работы генератора озона определяется в основном надежностью работы электродов, которая зависит от материала диэлектрического барьера и качества его нанесения на поверхность электрода.

Результаты испытаний озонатора ОВЭ-25 указывают на значительные преимущества металлических пластинчатых электродов с покрытием из стеклоэмали (рис. 16) по сравнению со стеклянными трубчатыми электродами как по показателям назначения, так и по надежности работы.

Рис. 16 Пластинчатый электрод опытно-промышлешюго генератора озона ОВЭ-25 производительностью 25 кг/ч

Основные результаты и выводы

1. Развита теория процесса орто-параконверсии водорода при различных способах его реализации в адиабатических, изотермических и политермических условиях применительно к работе водородных ожижительных установок. Результаты теоретических исследований положены в основу создания методов расчета аппаратов орто-параконверсии и основ проектирования сложных систем орто-параконверсии для ожижителей водорода низкого, среднего и высокого давлений в интервале температур от 68 до 24 К.

2. Впервые в полупромышленных условиях получены экспериментальные данные по локальному распределению температуры и содержанию пара-формы по высоте аппаратов адиабатической и политермической конверсии в потоке водорода высокого давления в реальном процессе его охлаждения в слое катализатора, которые подтвердили основные положения разработанной теории.

3. Впервые в отечественной практике на крупнотоннажном ожижителе водорода (агрегат 501М-1) реализован политермический процесс орто-парапревращения водорода в интервале температур от 63 до 34 К с использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований. Это позволило достичь проектной производительности ожижителя водорода, что обеспечило выполнение программы "Энергия-Буран".

4. Впервые в мировой практике предложен способ охлаждения кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки гелием высокого давления, циркулирующим в замкнутом контуре и охлаждаемым потоком газообразного водорода с температурой 17 К.

5. Эффективность предложенного способа охлаждения жидкого кислорода подтверждена экспериментальными исследованиями в модельных и реальных условиях реализации процесса. Показана возможность применения зависимостей по теплообмену и гидравлическому сопротивлению для "чистых" пучков труб при расчете аппаратов-охладителей с отложениями твердой фазы на поверхности теплообмена при величине комплекса Gг-Pг2>75/Re2<12.

6. Создана уникальная промышленная криогенная система охлаждения кислорода с комплексным использованием криогенных продуктов, высокой надежностью и малым энергопотреблением, включающая аппарат непрерывного охлаждения кислорода, которая позволила обеспечить заправку космического корабля "Буран" жидким кислородом с температурой близкой к температуре тройной точки (57 К).

7. Впервые созданы промышленные пластинчатые электроды полой тонкостенной конструкции с высокой степенью эквидистантности

27

разрядного промежутка сопряженных поверхностей длиной 0,5 мм, двухсторонним диэлектрическим барьером и двухсторонним охлаждением. Это позволило увеличить выход озона с единицы площади поверхности до 16-25 г/ч-дм2, что на порядок выше величины удельного выхода озона существующих промышленных конструкций.

8. Впервые в отечественной и зарубежной практике озоностроения (в соответствии с постановлением Правительства г. Москвы № 787-РП от 08.08.2000 г. "Об организации производства отечественных озонаторных установок большой производительности для систем централизованного водоснабжения") создан промышленный генератор озона с использованием нетрадиционных технических решений производительностью 25 кг/ч озона при работе на воздухе, параметры которого подтвердили правильность принятых технических решений. В настоящее время генератор озона находится в опытно-промышленной эксплуатации на Восточной водопроводной станции г. Москвы.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Смородин Л.И., Семенов В.Ю. Некоторые особенности работы теплообменников с поперечно-обтекаемыми пучками труб //Теплоэнергетика.-1993. -№ 4,- С. 69-72

2. Смородин А.И., Семенов В.Ю. Теплообмен в витых кожухотрубных теплообменниках, работающих в условиях образовавшейся твердой фазы теплоносителя в межтрубном пространстве//Теплоэнергетика.-1995. - С.63-69

3. Смородин А.И., Шуяков А.Л. / Процессы орто-параконверсии в аппаратах установок ожижения водорода//Вестник МГТУ. Машиностроение. -2000,- Спец. выпуск. - С.99-111

4. Смородин А.И. /Высокочастотный генератор озона нового поколения //Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2003. -№7.- С.3-6

5. Семенов В.Ю., Смородин А.И. Теплообмен в криогенных теплообменниках-охладителях с образованием в межтрубном пространстве твердой фазы кислорода//Химическое и нефтегазовое машиностроение.-1994. - №2. - С.21-24

6. Шуяков А.Л., Смородин А.И. Математическое моделирование процесса изотермической орто-параконверсииУ/Химическое и нефтегазовое машиностроение. 1994,- №4. -С.28-31

7. Новое отечественное оборудование для внедрения экологически чистых ресурсосберегающих технологий производства целлюлозы / В.В. Шкирятов, А.Г. Ляпин, А.И. Смородин и др.//Целлюлоза. Бумага, Картон. -1996. - №1-2. - С.25-28

8. Муратов В.М., Смородин А.И., Кончаков Н.И. / Обеспечение работоспособности гофрированных мембран генераторов озона.

// Химическое и нефтегазовое машиностроение.-1999. -№1. -С. 18-21

9. Данилин В.В., Кокуркин М.П., Смородин А.И. / Высокочастотные озонаторы нового поколения//Электротехника. - 2001. -№ 9. - С.24-26

Ю.Семенов В.Ю., Смородин А.И., Орлов В.К. Теплообмен пучка труб в поперечном потоке жидкости, осложненный образованием твердой фазы теплоносителя // ИФЖ.-1990.-Т.58, №5.- С.742-747

П.Вансевич А.В., Смородин А.И. Анализ процесса теплообмена в криогенных аппаратах с учетом отложения твердой фазы на разделительных стенках каналов// Сб. шучн. трудов ОАО "Криогепмаш".-Балашиха, 1984.- С. 106-115

^Экспериментальное исследование метрологических характеристик термопреобразователей совместно с установочными конструкциями для криогенных трубопроводов / В.В.Плотников, Р.А.Колесников, А.И. Смородин и др.// Научно-технические проблемы и достижения в криогенной технике: Сб. научн. трудов IV Всесоюзной научной конференции.- Москва, 1988.- С. 147-153

13.Шуяков А.Л., Смородин А.И. Исследование орто-парапревращения в адиабатическом конверторе//Сб. научн. трудов ОАО "Криогенмаш".-Балашиха, 1991.-С. 18-24

14.Смородин А.И., Шуяков А.Л. Исследование и разработка аппаратов адиабатической орто-параконверсии водородных ожижителей //Криогеника - 91: Сб. научн. трудов Международной научно-практической конференции- М., 1991 - С.44-48

15.Исследование процессов тепло- и массообмена в адиабатическом конверторе / А.Л. Шуяков, А.И. Смородин, ВА Кирпиков и др. // II Минский международный форум по тепло- и массообмену- Минск, 1992.-С.52-54

16.Исследование и разработка эффективной системы охлаждения кислорода до температуры, близкой к температуре тройной точки / А.И. Смородин, В.Ю. Семенов, О.П. Литовка // Двигательные установки авиакосмических систем: Труды первой международной авиакосмической конференции "Человек - земля - космос"- М.,1992. -Т.4.-С.233-240 ' •

17. Шуяков А.Л., Смородин А.И. Теоретическое и экспериментальное исследование процессов орто-парапревращений в водородных ожижителях // Сб. научн. трудов XV Научно-технической конференции МИХМ.-М, 1993.-С.37-39

18. Семенов В.Ю., Смородин А.И. Характерные особенности конвективной теплоотдачи на границе фазового перехода жидкость - твердое тело//ИФЖ.-1993. - Т.64, № 5.- С.619-629

19. Смородин А.И., Шуяков А.Л. Математическое моделирование аппарата непрерывной орто-параконверсии//Сб. научн. трудов ОАО

"Криогенмаш". - Балашиха, 1994. - C.I 16-125

20. Смородин Л.И., Фомченков Л.Т., Данилин В.В. Создание эффективной озонаторной установки для новых технологий// Сб. научн. трудов ОАО "Криогенмаш". - Балашиха, 1997. - С.65-73

21. Исследование несущей способности пластинчатых электродов генератора озона./АИ. Смородин, В.М. Муратов, А.Т. Турбаивский и др.// Сб. научн. трудов ОАО "Криогенмаш". - Балашиха, 1997.- 0.74-83

22.Modem industrial ozone generators with enamel covering of electrodes / LJ. Abramovich, V.V. Danilin, A.I. Smorodin// Proc. ofRegional Conf. on Ozone Generation and Application to Water and Wastewatcr Treatmcnt.-Moscow, 1998.-P. 437-442

23. Промышленные генераторы озона с улучшенными рабочими характеристиками/ Л.Ю. Абрамович, В.В. Данилин, А.И. Смородин и др.// Электротехника - 2010: Труды V Симпозиума. М, 1999.- Т.2.-С.170-171

24. Организация производства отечественных озонаторных установок нового поколения для систем централизованного водоснабжения / В.Н. Алексеев, Ю.М. Лужков, А.И. Смородин и др.// Электротехника -2010: Труды V Симпозиума. - М., 2003. -Т.4.- С.157-162

25. К вопросу создания комплексной лабораторно-экспериментальной базы для отработки озонаторных установок систем централизованного водоснабжения / Ю.С. Соломонов, Н.В. Карягин, А.И. Смородин и др. //Электротехника - 2010: Труды V Симпозиума. М., 2003.- Т.4.-С.163-168

26. Разработка и испытание опытно-промышленного образца озонаторной установки в модульно-контейнерном исполнении для систем централизованного водоснабжения/В.Н. Бандалетов, Ю.В. Друганов,

A.И. Смородин и др.// Электротехника - 2010: Труды V Симпозиума.-М.,2003.-Т.4.--С.169-172

27. Современные озонаторы нового поколения/Л.Ю. Абрамович,

B.В. Данилин, А.И. Смородин и др.// Электротехника - 2010: Труды V Симпозиума. - М., 2003.- Т.4.- -С.173-175

28. А.с. 1250821 СССР. Способ работы теплообменного аппарата /В.В.Вансевич, А.И.Смородин, В.Ю.Ссменов (СССР).-№3427879; //Открытия. Изобретения... -1997.- Бюл.№ 30.- 17 с.

29. А.с. 1733892 СССР. Теплообменник/ В.Ю.Семенов, А.И.Смородин // Открытия. Изобретения... -1992. - Бюл.№18.-5 с.

30. Ас. 1870216 СССР Тепломассообменный аппарат. / А.Л. Шуяков, В.П. Ельчинов, В.И.Друненков, В.Е. Позняк, А.И. Смородин // Открытия, Изобретения... -1993.- №5.- 9 с.

31.Патент №2046753 (РФ) Генератор озона /В.В.Данилин, М.П. Кокуркин, М.М. Пашин, Ю.В. Горбатский, В.П. Ельчинов,

А.И. Смородин // Открытия. Изобретения... -1995.-Бюл.№ 19.-14 с.

32.Патент № 2089488 (РФ) Генератор озона / В.В. Данилин, В.Н. Антонов, М.П. Кокуркин, М.М. Пашин, А.И. Смородин, В.В. Шкирятов // Открытия. Изобретения... -1997.- Бюл.№ 25.-10 с.

33. Патент №2179149 (РФ) Способ получения озоногазовой смеси и устройство для его осуществления / Ю.И. Духанин, А.И. Смородин, Г.Ю. Цфасман//БИ.- 2002. -Бюл. №4. -5 с.

34. Патент №2199487 (РФ) Система электродов генератора озона / В.В. Данилин, М.П. Кокуркин, М.М. Пашин, М.А Семин, А.И. Смородин // БИ.-2003.- Бюл.№ 6.-12 с.

35. Криогенные системы: В 2 т. / A.M. Архаров, В.Л. Бондаренко, А.И. Смородин и др.; Под ред. A.M. Архарова и А.И. Смородина.- М.: Машиностроение, 1999.- Т.2: Основы проектирования аппаратов, установок и систем,- 720 с.

36. Cryogenic System Vol.2: Designov Apparatus, plants, systems / A.M. Arkharov, LA. Arkharov, A.I. Smorodin et al.- M.:Bauman MSTU Press, 2001.-639 p.

Подписано к печати 11.05.04 Заказ 73т объем 2 п.л. Тир. 120

Типография МТТУ им. Н.Э. Баумана

ИИ062 Т

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Физические основы механизма орто-парапревращения.

1.2. Анализ основных работ по проблеме орто-парапревращения.

1.3. Процессы при охлаждении криогенных жидкостей.

1.3.1. Способы охлаждения криогенных жидкостей.

1.3.2. Теплообмен в процессах охлаждения жидкостей, осложненный образовавшейся твердой фазой теплоносителя.

1.3.3. Влияние свободной конвекции на гидродинамическую картину течения потока и на интенсивность процесса теплообмена.

1.4. Принцип работы генератора озона и способы получения озона. Применение низких температур в процессах получения озона.

1.4.1. Озон - перспективный окислитель для основных технологических процессов.

1.4.2. Механизм образования озона, принцип работы генератора озона.

1.4.3. Применение низких температур в процессе получения озона.

1.5. Обзор существующих конструкций генераторов озона с барьерным разрядом.

1.6. Влияние технологических и конструктивных параметров генератора озона на выход озона.

1.6.1. Влияние состава рабочего газа на выход озона.

1.6.2. Влияние величины разрядного промежутка диэлектрического барьера, частоты питающего напряжения и системы охлаждения электродов на выход озона.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОРТО-ПАРАКОНВЕРСИИ В АППАРАТАХ УСТАНОВОК ОЖИЖЕНИЯ ВОДОРОДА.

2.1. Математическое моделирование процесса адиабатической орто-параконверсии.

2.1.1. Процесс адиабатической орто-параконверсии для линейного приближения равновесной кривой.

2.1.2. Адиабатическая орто-параконверсия на высокоактивных катализаторах.

2.1.3. Процесс адиабатической орто-параконверсии при переменной активности катализатора.

2.2. Математическое моделирование процесса изотермической орто-параконверсии

2.3. Моделирование процесса политермической орто-параконверсии.

2.3.1. Решение задачи для общего случая.

2.3.2. Нахождение условий работы аппаратов непрерывной орто-параконверсии в квазиравновесном режиме.

2.4. Экспериментальное исследование процесса орто-параконверсии в полупромышленных условиях.

2.4.1. Экспериментальная установка.

2.4.2. Экспериментальное исследование процесса политермической орто-параконверсии.

2.4.3. Экспериментальное исследование процесса адиабатической орто-параконверсии.

2.4.4. Экспериментальное исследование процесса изотермической орто-параконверсии.

2.5. Основные результаты промышленных испытаний аппарата политермической конверсии и перспективы улучшения конструктивно-технических показателей.

2.6. Основные положения методики расчета аппаратов орто-параконверсий.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

ЖИДКОГО КИСЛОРОДА ДО ТЕМПЕРАТУРЫ БЛИЗКОЙ К

ТЕМПЕРАТУРЕ ТРОЙНОЙ ТОЧКИ.

3.1. Исследование процесса теплообмена в модельных условиях на системе "вода-воздух".

3.1.1. Экспериментальная установка. Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных.

3.1.2. Визуализация процесса образования льда.

3.1.3. Результаты исследования теплообмена и гидравлического сопротивления.

3.1.4. Анализ математического моделирования процесса теплообмена при поперечном обтекании "чистого" пучка труб.

3.1.5. Результаты исследования процесса теплообмена при различной ориентации модели в поле сил тяжести и с дополнительным межтрубным перемешиванием потока.

3.2. Исследование процесса теплообмена в модельных условиях на системе "жидкий кислород-гелий".

3.2.1. Экспериментальный стенд. Модельный теплообменник.

Приборы и измерения. Методика проведения эксперимента.

3.2.2. Анализ особенностей теплофизических свойств кислорода вблизи температуры тройной точки.

3.2.3. Результаты исследования теплообмена и гидравлического сопротивления.

3.3. Модель теплообменника с наличием твердой фазы теплоносителя в межтрубном пространстве. Методика расчета и рекомендации по повышению эффективности.

3.3.1. Квазистационарное приближение. Модель теплообменника с равномерно обмерзшим пучком трубок.

3.3.2. Сопоставление результатов численного решения с экспериментальными данными. Граница применимости модели равномерного обмерзания. 3.3.3. Методика расчета теплообменников и рекомендации по повышению их эффективности.

3.4. Исследование теплообменника-охладителя в промышленных условиях.

3.4.1. Назначение и основное оборудование системы охлаждения кислорода.

3.4.2. Методика проведения промышленных испытаний и обработки экспериментальных данных.

3.4.3. Основные результаты промышленных испытаний.

3.5. Некоторые следствия из решения задач по охлаждению жидкого кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки.

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ГЕНЕРАТОРА ОЗОНА.

4.1. Разработка и исследование пластинчатых электродов.

4.1.1. Разработка технологии изготовления пластинчатых электродов.

4.1.2. Исследование несущей способности пластинчатых электродов.

4.1.3. Исследование "эластичных" свойств пластинчатых электродов.

4.1.4. Исследование структуры диэлектрического покрытия.

4.1.5. Визуализация картины течения охлаждающей жидкости во внутренней полости пластинчатого электрода.

4.2. Разработка лабораторной установки и проведение исследований пластинчатых электродов.

4.3. Разработка и исследование промышленного генератора озона с использованием в качестве рабочего газа воздуха.

Расширяющееся в индустриально развитых странах применение жидких водорода, кислорода, а в последние годы и озона свидетельствует об интенсивном развитии основных отраслей промышленности, включая космическую технику, обеспечивающих ускоренный прогресс общества.

Одной их важнейших особенностей водорода, кислорода и озона является их экологическая нейтральность: процессы, в которых они участвуют, являются, как правило, экологически чистыми. Применение кислорода и озона, например, для отбеливания целлюлозы взамен хлора, очистки жидких радиоактивных отходов, рециклинга отработанных автомобильных покрышек и многое другое позволяют надеяться, что природа будет в определенной степени защищена.

Применение водорода в качестве топлива в авиации, ракетно-космической технике и на автомобильном транспорте сдерживается высокой стоимостью получения жидкого водорода по сравнению с традиционными топливами. Одной из особенностей технологии получения жидкого параводорода является процесс орто-парапревращения, сопровождающийся выделением теплоты за счет переориентации ядерных спинов, энергетические затраты на который могут составлять до 30 % всех затрат на ожижение. Очевидно, что рациональное проведение процесса орто-парапревращения является одним из определяющих факторов, влияющих на общую экономичность, поэтому необходимы проведение поисковых исследований, разработка методов расчета и создание эффективных и компактных аппаратов-конверторов.

Применение жидкого кислорода в ракетно-космической технике в значительной мере определяется уровнем его охлаждения вплоть до температуры тройной точки. Охлаждение кислорода до температуры 57 К в процессе заправки космического корабля "Буран" осуществлялось за счет потока газообразного водорода с температурой 17 К с использованием промежуточного теплоносителя - гелия. Процесс охлаждения кислорода в теплообменном аппарате происходит в неординарных условиях, когда значительная величина теплообменной поверхности имеет температуру ниже температуры тройной точки кислорода (54,3 К), что предопределяет исследование закономерностей теплообмена и гидравлического сопротивления в этих условиях и поиск путей снижения негативного влияния образовавшейся твердой фазы.

Озон занимает особое место среди традиционно применяемых окислителей, отличаясь высокой реакционной способностью и нестойкостью. Окислительные реакции с озоном возможны при нормальных давлениях и температурах. Применение озона способствует созданию экологически лояльных производств. Основными технологическими процессами, в которых применение озона технически и экономически оправдано, являются:

- очистка (обеззараживание) питьевой воды;

- очистка промышленных стоков (в металлургии, нефтепереработке, на целлюлозно-бумажных комбинатах, на автомойках и др.);

- бесхлорное отбеливание целлюлозы;

- переработка жидких радиоактивных отходов;

- рециклинг изношенных автопокрышек.

Электросинтез озона в газовом барьерном разряде является единственной из известных реакций, происходящих с образованием озона из кислорода. Эта реакция эндотермична, ее тепловой эффект равен 142 кДж/моль, а молекула озона по сравнению с кислородом обладает значительным запасом внутренней энергии. В настоящее время генераторы для производства озона, созданные крупнейшими американскими и европейскими фирмами за все годы своего существования, представляют из себя кожухотрубный теплообменный аппарат с прямыми трубами длиной до 3 метров, в которые установлены стеклянные трубы (в виде колб) со слоем алюминия на внутренней поверхности трубы.

Зазор между стеклянной и металлической трубами составляет 0,7 - 2,0 мм. В одном аппарате производительностью 25-30 кг озона в час концентрацией 1520 гОз/м3 количество таких труб достигает 850 штук. Удельный выход озона с Л единицы поверхности составляет 0,8-1,2 г/ч-дм . Появившаяся в последние годы новая технология "АТ-95", по которой вместо стеклянных устанавливают покрытые стеклоэмалью несколько коротких труб длиной 0,53 м, позволила у увеличить этот показатель до 2,4 г/ч-дм . Но, по-видимому, это тот предел, который невозможно перешагнуть, т.к. при такой конструкции генератора озона и электродов невозможно организовать внутреннее охлаждение электрода. Поэтому был необходим поиск новой конструкции электродов и на их основе новой конструкции генератора озона, которые бы обеспечили более высокий выход озона с единицы поверхности, что дает существенное уменьшение активной поверхности электродов и металлоемкости генератора озона.

Общим для! процессов орто-параконверсии водорода, охлаждения кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки и получения озона из кислорода (или воздуха) является химический или фазовый переход на границе раздела взаимодействующих сред и экологическая значимость этих процессов. По этой причине такие разные по своей сути процессы объединены в данной работе.

Цель работы - Теоретическое и экспериментальное исследование процессов теплообмена с фазовыми превращениями на рабочих поверхностях, разработка методов расчета аппаратов, основ их конструирования и создание промышленных образцов изделий низкотемпературной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо было:

- разработать теорию процесса орто-параконверсии водорода при различных способах его реализации в адиабатических, изотермических и политермических условиях, на основании которой установить взаимосвязь основных конструктивных и технологических параметров, обеспечивающих проведение процесса;

- разработать методы расчета аппаратов орто-параконверсии и основы проектирования системы конверторов ожижителей водорода низкого, среднего и высокого давлений;

- получить экспериментальные данные по локальному распределению температур и содержанию параводорода в аппаратах при различных методах реализации процесса орто-параконверсии;

- изучить особенности теплообмена при охлаждении жидкости хладагентом, имеющим температуру на входе в аппарат ниже температуры тройной точки охлаждаемой жидкости; на основании проведенных исследований предложить эффективные решения реализации процесса;

- разработать методику расчета аппаратов и определить условия, при которых влияние образовавшейся на разделительной поверхности твердой фазы минимально;

- выявить закономерности конвективного теплообмена с учетом образовавшейся на поверхности раздела взаимодействующих сред твердой фазы;

- установить взаимосвязь между характеристиками процесса получения озона и конструктивными параметрами системы электродов на основе представления об "идеальном" генераторе озона;

- разработать оптимальную конструкцию электрода и блока электродов и провести исследования их гидравлических, прочностных и адгезионных характеристик;

- создать и исследовать опытно-промышленный генератор озона, изготовленный с применением нетрадиционных технологий.

Научная новизна работы заключается в следующем: - развита теория процесса орто-параконверсии водорода при различных способах его реализации в адиабатических, изотермических и политермических условиях, на основании которых установлена взаимосвязь основных параметров, обеспечивающих проведение процесса в оптимальных условиях;

- полученные теоретические результаты положены в основу создания методов расчета аппаратов орто-параконверсии и основ проектирования сложных систем орто-параконверсии для ожижителей водорода низкого, среднего и высокого давлений в интервале температур от 68 до 24 К; получены новые экспериментальные данные по локальному распределению температуры и содержанию параформы в потоке водорода высокого давления в реальном процессе его охлаждения в слое катализатора, которые подтвердили основные положения разработанной теории;

- впервые в мировой практике предложен способ охлаждения кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки (57 К) гелием высокого давления, циркулирующим в замкнутом контуре и охлаждаемым потоком газообразного водорода с температурой 17 К;

- на основе результатов экспериментальных исследований процесса охлаждения модельной и реальной жидкостей хладагентом с температурой ниже температуры тройной точки показана возможность применения для расчетов аппаратов-охладителей зависимостей по теплообмену и гидравлическому сопротивлению для пучков труб при величине комплекса Ог-Рг2'75/Ке2 < 12;

- сформулировано представление об "идеальном" генераторе озона, позволившее выявить критические параметры и разработать на этой основе конструкцию промышленного генератора озона с предельно низкими массогабаритными показателями и более низкими затратами электроэнергии на получение одного килограмма озона.

Научная новизна работы подтверждена семью патентами РФ.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

I. Впервые в отечественной практике на крупнотоннажном ожижителе водорода (агрегат 501М-1) реализован разработанный процесс политермической орто-параконверсии в интервале температур от 63 до 34 К при этом была достигнута проектная производительность ожижителя водорода, что обеспечило выполнение программы "Энергия-Буран".

2. Создана уникальная промышленная криогенная система охлаждения кислорода с комплексным использованием криогенных продуктов, высокой надежностью и малым энергопотреблением, включающая аппарат непрерывного охлаждения кислорода, которая позволила обеспечить заправку космического корабля "Буран" жидким кислородом с температурой близкой к температуре тройной точки (57 К).

3. Разработаны и исследованы пластинчатые электроды генератора озона, не имеющие аналогов, обеспечивающие высокую степень эквидистантности разрядного промежутка длиной 0,5 мм, имеющие двусторонний диэлектрический барьер и двустороннее охлаждение. Пластинчатые электроды использованы при разработке уникального генератора озона производительностью 25 кг озона в час, установленного на Восточной водопроводной станции (г. Москва) для целей очистки питьевой воды.

Достоверность результатов исследований обеспечивалась:

- применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения;

- хорошей повторяемостью полученных результатов измерений;

- соответствием полученных экспериментальных данных результатам расчетов;

- промышленными испытаниями и эксплуатацией созданного оборудования.

На защиту выносятся:

- теоретические и экспериментальные исследования процесса орто-параконверсии в аппаратах адиабатического, изотермического и политермического типа; результаты исследований при различных методах его реализации с получением локальных данных о характере распределения температур и содержания параформы;

- результаты реализации процесса орто-параконверсии на температурном уровне от 63 до 34 К в режиме политермической конверсии на крупнотоннажном ожижителе водорода 501М-1;

- способ охлаждения жидкого кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки по схеме комбинированного охлаждения;

- экспериментальные данные по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению при течении в межтрубном пространстве теплообменника воды и жидкого кислорода в условиях фазового перехода на поверхности теплообмена;

- результаты исследования гидродинамической обстановки за "чистым" пучком труб: распределение температуры по высоте канала без перемешивания и с дополнительным перемешиванием потока, количественное соотношение, обеспечивающее протекание процесса теплообмена в условиях равномерного намерзания твердой фазы на поверхности теплообмена;

- результаты испытаний промышленной криогенной системы охлаждения жидкого кислорода до температуры 57 К с комплексным использованием криогенных продуктов;

- экспериментальные результаты по исследованию характеристик разработанных пластинчатых электродов генератора озона;

- экспериментальные данные, полученные на лабораторном и опытно-промышленном генераторах озона, оснащенных пластинчатыми электродами новой конструкции.

Работа содержит четыре главы.

В первой главе сделан краткий обзор работ отечественных и зарубежных авторов, выполненных в области разработки аппаратов криогенной техники с химическими и фазовыми переходами на поверхности раздела взаимодействующих сред. Сформулированы общие существенные требования к аппаратам, а также цели и задачи научного исследования.

В своих исследованиях автор опирался на работы АМ Архарова,

B.П. Белякова, P.A. Буянова, А.И. Леонтьева, A.B. Лыкова, И.И. Иоффе,

C.Н. Шорина, A.A. Гухмана, Б.С. Петухова, Н.В. Филина, В.В. Лунина, Ю.В. Филиппова, В.И. Гибалова, А. Жукаускаса, С. Вейласа, А. Форкаса, в которых рассмотрены теоретические и прикладные вопросы тепло-массопереноса, орто-парапревращения водорода, охлаждения криогенных жидкостей, синтеза озона.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процессов орто-параконверсии в аппаратах установок ожижения водорода. Значительное внимание уделено построению математических моделей процессов- тепломассообмена в аппаратах адиабатической, изотермической и политермической конверсии. Приведены результаты экспериментального исследования в этих аппаратах на опытно-промышленной установке ожижения водорода, которые подтвердили качественные выводы теории. Приведены также результаты реализации процесса политермической конверсии в крупнотоннажном ожижителе водорода 5Q1M-L

В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с процессами охлаждения жидкого кислорода до температуры, близкой к температуре тройной точки. Здесь приведены результаты экспериментального исследования особенностей теплообмена на модельной систе*ме вода-воздух, на основании которых сделан вывод о существовании двух принципиально различных режимов работы теплообменника-охладителя: режим работы с "равномерно" обмерзшим пучком труб, который удовлетворительно описывается зависимостью А. Жукаускаса, и режим "неравномерно" обмерзшего пучка труб, при котором теплогидравлические характеристики ухудшаются на порядок.

Значительное внимание уделено исследованию процесса охлаждения жидкого кислорода с использованием в качестве хладагента холодного гелия высокого давления на модельном стенде. Приводятся результаты" полученные во время отработки системы заправки ракетно-космической системы "Энергия-Буран".

В четвертой главе приведены результаты работы по созданию и исследованию эффективной электродной системы генератора озона, имеющей двухстороннее диэлектрическое покрытие, двухстороннее охлаждение и эквидистантный разрядный промежуток, равный 0,5 мм. Представлены результаты исследований гидравлических, прочностных и адгезионных характеристик новой конструкции электрода. Кроме того, представлены результаты исследований опытно-промышленного генератора озона производительностью 25 кг/ч озона, созданного с применением нетрадиционных технологий.

Основные результаты работы проведенного исследования могут быть обобщены в следующих положениях.

1. Развита теория процесса орто-параконверсии водорода при различных способах его реализации в адиабатических, изотермических и политермических условиях применительно к работе водородных ожижительных установок. Результаты теоретических исследований положены в основу создания методов расчета аппаратов орто-параконверсии и основ проектирования сложных систем орто-параконверсии для ожижителей водорода низкого, среднего и высокого давлений в интервале температур от 68 до 24 К.

2. Впервые в полупромышленных условиях получены экспериментальные данные по локальному распределению температуры и содержанию пара-формы по высоте аппаратов адиабатической, изотермической и политермической конверсии в потоке водорода высокого давления в реальном процессе его охлаждения в слое катализатора, которые подтвердили основные положения разработанной теории.

3. Впервые в отечественной практике на крупнотоннажном ожижителе водорода (агрегат 501М-1) реализован политермический процесс орто-парапревращения водорода в интервале температур от 63 до 34 К с использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований. Это позволило достичь проектной производительности ожижителя водорода, что обеспечило выполнение программы "Энергия-Буран".

4. Впервые в мировой практике предложен способ охлаждения кислорода до температуры близкой к температуре тройной точки гелием высокого давления, циркулирующим в замкнутом контуре и охлаждаемым потоком газообразного водорода с температурой 17 К.

5. Эффективность предложенного способа охлаждения жидкого кислорода подтверждена экспериментальными исследованиями в модельных и реальных условиях реализации процесса. Показана возможность применения зависимостей по теплообмену и гидравлическому сопротивлению для "чистых" пучков труб при расчете аппаратов-охладителей с отложениями твердой фазы на поверхности теплообмена при величине комплекса Сг-Рг2'75Л1е2 < 12.

6. Создана уникальная промышленная криогенная система охлаждения кислорода с комплексным использованием криогенных продуктов, высокой надежностью и малым энергопотреблением, включающая аппарат непрерывного охлаждения кислорода, которая позволила обеспечить заправку космического корабля "Буран" жидким кислородом с температурой близкой к температуре тройной точки (57 К).

7. Впервые созданы промышленные пластинчатые электроды полой тонкостенной конструкции с высокой степенью эквидистантности разрядного промежутка сопряженных поверхностей длиной 0,5 мм, двухсторонним диэлектрическим барьером и двухсторонним охлаждением. Это позволило увеличить выход озона с единицы площади поверхности до 16-25 г/ч-дм , что на порядок выше величины удельного выхода озона существующих промышленных конструкций.

8. Впервые в отечественной и зарубежной практике озоностроения (в соответствии с постановлением Правительства г. Москвы № 787-РП от 08.08.2000 г. "Об организации производства отечественных озонаторных установок большой производительности для систем централизованного водоснабжения") создан промышленный генератор озона с использованием нетрадиционных технических решений производительностью 25 кг/ч озона при работе на воздухе, параметры которого подтвердили правильность принятых технических решений. В настоящее время генератор озона находится в опытно-промышленной эксплуатации на Восточной водопроводной станции г. Москвы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Буянов Р.А. Изучение реакции превращения орто-водорода в пара-водород на твердых катализаторах при температуре 78-64 К // Кинетика и катализ. 1960. - Т.1, № 2.- С. 306-326

2. Буянов Р.А. Изучение реакции превращения орто-водорода в пара-водород на твердых катализаторах. Реакция в жидкой фазе // Кинетика и катализ. 1960. - Т.1, № 3.- С. 418-420

3. Буянов Р.А. Изучение реакции превращения орто-водорода в пара-водород на твердых катализаторах. Катализ гидроокисями редкоземельных элементов// Кинетика и катализ. 1960. - Т.1, № 4,-С. 617-619

4. Фаркас А. Орто-водород, пара-водород и тяжелый водород. М.: Наука, 1936.-244 с.

5. Schmauch G.E., Singleton A.N. Technical aspects of orto-para hydrogen conversión // Industrial and Eng. Cemistry.-1964.-V.56, № 5.-P. 20

6. Harrison L.G., Me Dowell C.A. The catalysis of the para-hydrogen conversión by the solid free radical a-diphenyl-P-picril hidrazil // Proc. Roual Soc. Ser.A-1954.-V.59, N 8 P. 77-90

7. Continuoc conversión hydrogen liquefaction/ M.S. Lipman, +2 et al. // Chem. Eng. Progr.-1963.-V.59, N 8. P. 49

8. Жидкий водород / И.И. Гальперин, А.А. Ильинский, О.А. Алмазов и др. -М.: Химия, 1980.-220 с.

9. Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Криогенные системы; В 2 т. М.: Машиностроение, 1996.-Т.1- Основы теории и расчета.- 575 с.

10. Баррон Р.Ф. Криогенные системы.- М.: Машиностроение, 1969.- 408 с.

11. Микулин Е.И. Криогенная техника. М.: Машиностроение, 1969.- 272 с.

12. Скотт Р.В. Техника низких температур. М.: Изд. ин. лит., 1962.- 415 с.

13. Вэйлас С. Химическая кинетика и расчеты промышленных реакторов.1. М.: Химия, 1967.-415 с.

14. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. М.: Химия, 1969.-624 с.

15. Бесков B.C., Кузин В.П., Слинько М.П. Моделирование процесса в неподвижном слое катализатора. Радиальный перенос вещества и тепла. //Химическая промышленность, 1964. № 7.-С. 23-30

16. Дидушинский Я.Д. Основы проектирования каталитических реакторов.-М.: Химия, 1972.- 376 с.

17. Михаил Р., Кырлогану К. Реакторы в химической промышленности.- М.: Химия, 1968.-388 с.

18. Бесков B.C., Кузин В.П., Слинько М.П. Моделирование химических процессов в неподвижном слое катализатора//Химическая промышленность- 1965. № 5.- С. 14-19

19. Зеленяк Т.И. О стационарных режимах. Решение смешанных задач, возникающих при изучении некоторых химических процессов, дифференциальные уравнения 2.- М.: Наука, 1966.- 205 с.

20. Мукосей В.И., Письмен Л.П., Харкац Ю.И. О стационарных режимах химических реакторов с внутренним, внешним и комбинированным теплообменом // ИФЖ. 1967.- № 6.- С. 18

21. Иоффе И.И., Письмен Л.П. Инженерная химия гетерогенного катализа.-М.: Химия, 1965,- 456 с.

22. Криогенные системы; В 2 т. / A.M. Архаров, И.А. Архаров, А.И. Смородин и др.// Под ред. A.M. Архарова и А.И. Смородина.- М.: Машиностроение.- 1999.- Т.2 Основы проектирования аппаратов, установок и систем.- 720 с.

23. Беляков В.П. Криогенная техника и технология.- М.: Энергоиздат, 1982.227 с.

24. Филин Н.В., Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы. Л.: Машиностроение, 1985.-245 с.

25. Маринюк Б.Т. Льдообразование и инеевыпадение на элементах низкотемпературного оборудования// Криогенное и вакуумное машиностроение / ЦИНТИ ХИМНЕФТЕМАШ. (М., Сер.ХМ-1).- 1988.-№ 10.-С. 42-46

26. Bartlit К.М., Willimson P.L. Eurther Experimental study of H20-H2 Heat Exchangers//Adv. in Cryogenic Eng.- 1970.-V.16.-P. 482-493

27. Bowers W.M. Design of water t0 cryogen heat exchangers with variable-thickness ice films// Adv. in Cryogenic Eng.- 1966.-V.1 l.-P. 561-567

28. Соколов Н.И. К вопросу о коэффициенте теплоотдачи от воды к ледяным пластинам// Метрология и гидрология.- 1954.- № 3.- С. 44-45

29. Чуклин С.Н. Теплопередача при переходе вещества из жидкой фазы в твердую// Холодильная техника.- 1948.- № 1.- С. 46-55

30. Шуляковский Л.Г. О коэффициенте теплопередачи подледного потока. // Метрология и гидрология.- 1954.- № 3.- С. 40-43

31. Siegel R. Transient Solidification of Flowing Liquid on a Cold Plate Including Heat Capacities of the Frozen layer and Plate // Paper ASME- 1967.- N3 P.l-12

32. The steady ice layer profile on о constant temperature plate in forced convection flow. I. Laminar flow/ T.Hirata, R.R.Gilpin, K.C.Cheng et al// Int. J. of Heat and Mass Transfer.- 1979.- V.22, N 10.- P. 1435-1445

33. The steady state ice layer profile on a constant temperature plate a forced convection flow. II Turbulent regime / T.Hirata, R.R.Gilpin, K.C.Cheng et al /Ant. J. of Heat and Mass Transfer.- 1979.- V.22, N 10.- P. 1425-1435

34. Gilpin R.R., Hirata Т., Cheng K.C. Wave formation and heat transfer at an ice -water interface in a presence of turbulent flow // J. Fluid Mech.- 1980.- V.99, part 3.- P. 619-640

35. Okada M., Katayma K. Freezing around a Cooled pipe in cross flow //Bulletin ofJSME.- 1978.-V.21, N 160.-P. 1514-1520

36. Ченг К., Инаба X., Гилпин Р. Экспериментальное исследование нарастания льда вокруг изотермически охлаждаемого цилиндра впоперечном потоке// Труды америк. общ. инж.-мех. Теплопередача.-1981.- Т.103, № 4.- С. 142-149

37. Ткачев А.Е., Данилова Г.И. Теплообмен при намораживании льда // Вопросы теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества,-М., 1953.-С. 183-208

38. Herrman J., Leuten W., Viskanta R. Effect of natural convection on freezing of water around an isothermal, horizontal cylinder// Int. J. of Heat and Mass Transfer.- 1979.- V. 11, N 4.- P. 3 01 -310

39. Гориславец B.M., Семенов Л.П. Динамика обмерзания низкотемпературного трубопровода в стоячей воде// ИФЖ.- 1981.- Т.48, №3.-С. 610-617

40. Зеркле Л.И. Влияние затвердевания жидкости в канале между параллельными пластинами на теплообмен и перепад давления в ламинарном потоке// Труды америк. общ. инж.-мех. Теплопередача.-1969.- Т.91, № 4.- С. 15-29

41. Depew С.А., Zenter R.C. Laminar flow heat transfer and pressure drop with freezing at the wall // Int. J. of Heat and Mass Transfer.- 1969.- V.12, N 12.-P. 1710-1714

42. Milligan J.C., Jonest D.D., Experimental on heat transfer and pressure drop in horizontal tube with international solidification // Int. J. of Heat and Mass Transfer.- 1976.- V.19, N2.- P. 213-219

43. Домашенко A.M., Товарных Г.И., Кошкин Г. Д. Исследование теплообменных процессов при контакте через стенку жидкого азота с водой// Процессы в установках и системах криогенного оборудования: Сб. научн. трудов КРИОГЕНМАШ.- Балашиха, 1979.- С. 95-109

44. Петухов БС. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия.- 1967.- 411 с.

45. Петухов Б.С., Поляков А.Ф. Теплообмен при смешанной турбулентной конвекции. М.: Наука,- 1986.- 192 с.

46. Щукин B.K. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил.-М.: Машиностроение.- 1970.- 331 с.

47. Капикос Г.А., Ремизов О.В. Теплообмен и гидродинамика в условиях совместного влияния естественной и вынужденной конвекции.-Обнинск: Препринт ФЭИ, 1981.- 16 с.

48. Чжо В., Эзишен К. Неустановившийся процесс замерзания жидкости при турбулентном течении в трубах// Труды америк. общ. инж.-мех. Теплопередача.-1979.- Т. 101, № 3.- С. 99-103

49. Метсис А., Эккерт J1. Режимы вынужденной, смешанной и свободной конвекции// Труды америк. общ. инж.-мех. Теплопередача.-1964,- Т.96, № 2.- С. 28-35

50. Петухов Б.С., Нольде Л.Д. Теплообмен при вязкостно-гравитационном течении в трубах// Теплопередача.-1959.- № 2.- С. 48-53

51. Рубинштейн Л.И. Проблема Стефана.- Рига: Звайгзне, 1967.- 456 с.

52. Коздоба Л.А. Методы решения задач затвердевания// Физика и химия обработки материалов.- 1973.- № 2.- С. 41-59

53. Секи Я., Фукусамо Н., Ямак Л. Явление образования льда при течении воды между двумя охлаждаемыми пластинами// Труды америк. общ. инж.-мех. Теплопередача.-1984.- Т. 106, № 3.- С. 14-22

54. Muchlbauer J.C., Sunderland J.E. Heat Conduction with Freezing or Melting // Appl. Mech. Rev.- 1965.- V.18, N 12.- P. 951

55. Аким Г.П. Использование озона для отбелки целлюлозы // Целлюлоза, бумага, картон.- 1996.- № 1-2.- С. 6-9

56. Новое отечественное оборудование для внедрения экологически чистых ресурсосберегающих технологий производства целлюлозы/В .В .Шкирятов,

57. А.Г.Ляпин, А.И.Смородин и др.// Целлюлоза, бумага, картон.- 1996.- № 12.- С. 25-28

58. Филиппов Ю.В. Неорганические перекисные соединения.- М.: Химия.-1975.- 158 с.

59. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона.-М.: МГУ, 1987.-237 с.у

60. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда.- М.: МГУ, 1989.- 175 с.

61. Пшежецкий С.Я. Механизм радиационно-химических реакций.- М.: Химия, 1962.- 230 с.

62. Griggs М. Absorption Coefficients of ozone in the Ultraviolet and Visible Region//J. Chem. Phys.- 1968.-V.49, N 2.-P. 857-858

63. Pat. 62-100402 (A) (Japan) Ozonier having high performans/ S.Masuda.-1980.-№3245909

64. Pat. 63-129003 (A) (Japan) Generator for nitrogen containing gaseous ozone / S.Masuda.- 1981.-№4471435

65. Pat. 63-56164 (Japan) Higteffective ozonator / S.Masuda.-1976.-№646442

66. Masuda S., Kiss A. Ceramic-Made electric Curtain devices and their Application// Int. Conf. on Ind. Electrostatic: Invited talk.- Budapest, 1984.-P. 296-313

67. Патент №2179149 (РФ) Способ получения озоногазовой смеси и устройство для его осуществления / Ю.И. Духанин, А.И. Смородин, Г.Ю. Цфасман// БИ,- 2002. -Бюл. №4. -5 с.

68. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А. Высокочастотные озонаторы с эмалированными электродами// Экспресс-информация ЦИНТИ ХИМНЕФТЕМАШ. Сер.ХМ-1 (М.).- 1984.- № 6.- С. 4-6

69. А.с. 839799 (СССР) Устройство для получения озона /Ю.М. Емельянов // Открытия. Изобретения.-1988.- Бюл.№ 5.- 4 с.

70. А.с. 998328 (СССР) Пластинчатый генератор озона /И.Н. Савин

71. Открытия. Изобретения.- 1987.-Бюл.№ 7.- 4 с.

72. Абрамович Л.Ю., Самойлович В.Г. Получение озона в современных озонаторных установках, используя воздух или кислород //Электротехника-2010: Труды VII симпозиума. М., 2003.- Т.4.-С. 306-311

73. Merz Е., Gaia F. Comparison of economics of various generation system// Proc. of 9-th Ozone World Congress.- N.Y. (USA), 1989.- V.2.- P. 69-93

74. Schulhof P. The price of ozonation// Proc. of 9-th Ozone World Congress.-N.Y., (USA), 1989.- V.2.- P. 37-48

75. Masschelein W.J. Ozone generation: Use of air, oxygen or air symphonized with oxygen// Ozone science & Engineering.-1998.- N.20.-P. 191-203

76. Wunsch A.K., Darpin C. The cost-effectiveness of ozone system// Proc. of 9-th Ozone World Congress.- N.Y. (USA), 1989.- v.2.- P. 48-55

77. Емельянов Ю.М., Филиппов Ю.В. Экспериментальное исследование распределения температуры в разрядном промежутке// ЖФХ.-1962.- Т.36, № 10.-С. 2263-2267

78. Емельянов Ю.М., Филиппов Ю.В. распределение тепловыделения в разрядном промежутке//ЖФХ.-1962.-Т.36, № 1.- С. 181-188

79. Hirth М. Test Methods for Measuring energy in a Gas Discharge// Proc. 6-th Int. Symposium on Plasma Chemistry.- Montreal, 1983.- P. 663-338

80. Warakovsky W. Ozone Generating: various system and operating experiences // Proc. of 9-th Ozone World Congress.- N.Y. (USA), 1989.- V.2.- P. 595-633

81. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям.- М.: Наука, 1971.- 576 с.

82. Шуяков А.Л., Смородин А.И. Исследование орто-парапревращения в адиабатическом конверторе// Сб. научн. трудов ОАО "Криогенмаш".-Балашиха, 1991. -С. 18-24

83. Шуяков А.Л., Смородин А.И. Исследование и разработка аппаратов адиабатической орто-параконверсии водородных ожижителей // Криогеника-91 "Криогенная техника науке и производству":

84. Международная научно-практическая конференция. Москва, 1991.-С. 42-50

85. Исследование процессов тепло- и массообмена в адиабатическом конверторе / A.JI. Шуяков, А.И. Смородин, В.А. Кирпиков и др. // II Минский международный форум по тепло- и массообмену- Минск, 1992. -С.52-54

86. Шуяков А.Л., Смородин А.И. Теоретическое и экспериментальное исследование процессов орто-парапревращений в водородных ожижителях//XV Научно-техническая конференция МИХМ.- М., 1993.-С.37-39

87. Шуяков А.Л., Смородин А.И. Математическое моделирование процесса изотермической орто-параконверсии//Химическое и нефтяное машиностроение.- 1994.- №4. -С.28-31

88. Жидкий водород. Сборник переводов/ Под ред. М.П.Малкова.-М.: Мир, 1964.- 232 с.

89. Смородин А.И., Шуяков А.Л. Математическое моделирование аппарата непрерывной орто-параконверсии// Сб. научн. трудов ОАО "Криогенмаш". -Балашиха, 1994. С. 116-125

90. Смородин А.И., Шуяков А.Л. Процессы орто-параконверсии в аппаратах установок ожижения водорода// Вестник МГТУ. Машиностроение. -1998.- Спец. выпуск.- С. 99-111

91. A.c. 1870216 (СССР) Тепломассообменный аппарат/В.Е.Поздняк, А.И.Смородин, А.Л.Шуяков и др. (СССР)// Открытия. Изобретения. -1989.- Бюл.№ 16.-5 с.

92. Cryogenic System. Designov Apparatus, plants, systems / A.M. Arkharov, I.A. Arkharov, A.I.Smorodin et al.- M.: Bauman SMTU Press, 2001, Vol.2.- 639 p.

93. Китаев Б.И., Тимофеев B.H. Тепло- и массообмен в плотном слое.- М.: Металлургия, 1972.- 432 с.

94. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача.- М.: Энергия, 1975.-485 с.

95. Жукаускас A.A., Макарявичус B.C., Шланчяускас A.B. Теплоотдача пучков труб в поперечном потоке жидкости/ Под ред. А.А.Жукаускаса.-Вильнюс: МИНТИС, 1968.-188 с.

96. Ривкин C.JL, Александров A.A. Теплофизические свойства воды и водяного пара.- М.: Энергия, 1980.- 424 с.

97. Вассерман A.A., Рабинович В.А. Теплофизические свойства жидкого воздуха и его компонентов.- М.: Изд. комит. станд., мер и измер. приборов при СМ СССР, 1068.- 380 с.

98. Вассерман A.A., Казавчинский Я.З., Рабинович В.А. Теплофизические свойства воздуха и его компонентов.-М.: Наука, 1966.- 410 с.

99. Разработка и исследование установочных конструкций термопреобразователей ТСП 4054-02 для криогенных трубопроводов /В.В.Плотников, Р.А.Колесников, А.И.Смородин и др. //Электрометрия-88. Тез. докл. VI Всесоюз. конф. -Луцк, 1988.- С. 354-355

100. Семенов В.Ю., Смородин А.И., Орлов В.К. Теплообмен пучка труб в поперечном потоке жидкости, осложненный образованием твердой фазы теплоносителя // ИФЖ.-1990.-Т.58, №5.- С.742-747

101. Смородин А.И., Семенов В.Ю. Некоторые особенности работы теплообменников с поперечно-обтекаемыми пучками труб // Теплоэнергетика.-1993. -№ 4.- С. 69-72

102. Семенов В.Ю., Смородин А.И. Характерные особенности конвективной теплоотдачи на границе фазового перехода жидкость твердое тело//ИФЖ.- 1993. - Т.64, № 5.- С.619-629

103. Свойства конденсированных фаз водорода и кислорода. Справочник.-Киев: Наукова думка, 1984.-283с.

104. Исследование теплофизических свойств отвердевших криогенных веществ. Отчет о НИР/Одес. техн. ин-т. холод, пром.; Руководитель С.А.Щекаталина; Отв.исп. Л.ИЛкуб. № ГР 81104672; Инв.№ ОНТБ-3409/82.- Одесса, 1980.- 34 с.

105. Теплофизические свойства азота, кислорода и воздуха в газообразном и жидком состоянии. Отчет о НИР /Одес. ин-т. морск. флота; Руководитель В.И.Кудашев. № ГР 78076030; Инв.№ ОНТБ-3409/82.- Одесса, 1980.-Т.2, Ч. 4.1.-240 с.

106. Семенов В.Ю., Смородин А.И. Теплообмен в криогенных теплообменниках-охладителях с образованием в межтрубном пространстве твердой фазы кислорода/ТХимическое и нефтяное машиностроение.- 1994.- № 2.-С. 21-24

107. Смородин А.И., Семенов В.Ю. Теплообмен в витых кожухотрубных теплообменниках, работающих в условиях образовавшейся твердой фазы теплоносителя в межтрубном пространстве/ЛГеплоэнергетика.- 1995. -№ 12,- С.63-69

108. А.с. 1250821 СССР. Способ работы теплообменного аппарата /В.В.Вансевич, А.И.Смородин, В.Ю.Семенов (СССР)// Открытия. Изобретения. -1987.- Бюл.№ 30.- 82 с.

109. Результаты промышленных испытаний узла теплообмена системы глубокого охлаждения кислорода /В.Ю. Семенов, А.И. Смородин, В.Н. Криштал и др.// РКТ. Сер.4.- 1989.- Вып.9. С. 15-26

110. Скриков В.П., Каверда В.П. Спонтанная кристаллизация переохлажденных жидкостей,- М.: Наука, 1984.- С. 280

111. VS Patent 3.354.662. Dynamic flash production of hydrogen slush / J.G. Daunt 1967

112. Daunt J.G. Slush hydrogen fuel // Cryogénie Information Report.- January,1990.- V/23.-N 1.- Р.7

113. Giordan N. Experimental study of the flow of liquid He4 thought very small channels. Finte size effect near T\// Physical Review.- 1983.- V.27, Number 9.- P. 127-131

114. Гейликман Б.Т. исследования по физике низких температур.-М.: Атомиздат, 1979.- 198-201 с.

115. Бобков В.А. Производство и применение льда.- М.: Пищевая промышленность, 1977.- 244-247 с.

116. Новое отечественное оборудование для внедрения экологически чистых ресурсосберегающих технологий производства целлюлозы / В.В. Шкирятов, А.Г. Ляпин, А.И. Смородин и др.//Целлюлоза. Бумага, Картон. 1996. - №1-2. - С.25-28

117. Смородин А.И., Фомченков А.Т., Данилин В.В. Создание эффективной озонаторной установки для новых технологий//Сб. научн. трудов ОАО "Криогенмаш". Балашиха, 1997. - С.65-73

118. Промышленные генераторы озона с улучшенными рабочими характеристиками/ Л.Ю. Абрамович, В.В. Данилин, А.И. Смородин и др. //Электротехника 2010: Труды V Симпозиума. -М., 1999.- Т.2.- С. 170-171

119. Патент № 2046753 (РФ) Генератор озона / В.В. Данилин, М.П. Кокуркин, М.М. Пашин, Ю.В. Горбатский, В.П. Ельчинов, А.И. Смородин// Открытия. Изобретения. -1995.-Бюл.№ 19

120. Патент №2089488 (РФ) Генератор озона / В.В.Данилин, В.Н.Антонов, М.П. Кокуркин, М.М. Пашин, А.И. Смородин, В.В. Шкирятов // Открытия. Изобретения. -1997.- Бюл.№ 25

121. Патент №2199487 (РФ) Система электродов генератора озона / В.В. Данилин, М.П. Кокуркин, М.М. Пашин, М.А. Семин, А.И. Смородин // БИ.-2003.- Бюл.№ 6

122. Modern industrial ozone generators with enamel covering of electrodes / L.J. Abramovich, V.V. Danilin, A.I. Smorodin et all// Proc. of Regional Conf. on Ozone Generation and Application to Water and Wastewater Treatment.-Moscow, 1998.-P. 437-442

123. Данилин В.В., Кокуркин М.П., Смородин А.И. Высокочастотные озонаторы нового поколения//Электротехника. 2001. -№ 9. - С.24-26

124. Исследование несущей способности пластинчатых электродов генератора озона/А.И. Смородин, В.М. Муратов, А.Т. Турбаивский и др.// Сб. научн. трудов ОАО "Криогенмаш". Балашиха, 1997.- С.74-83

125. Муратов В.М., Смородин А.И., Кончаков Н.И. Обеспечение работоспособности гофрированных мембран генераторов озона // Химическое и нефтегазовое машиностроение.-1999. -№1. -С. 18-21

126. Современные озонаторы нового поколения/Л.Ю. Абрамович,

127. B.В. Данилин, А.И. Смородин и др.// Электротехника 2010: Труды V Симпозиума.^., 2003.- Т.4.- -С.173-175

128. Смородин А.И. Высокочастотный генератор озона нового поколения // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003. -№7.- С.3-6

129. Организация производства отечественных озонаторных установок нового поколения для систем централизованного водоснабжения / В.Н. Алексеев, Ю.М.Лужков, А.И. Смородин и др.// Электротехника 2010: Труды V Симпозиума. -М., 2000. -Т.4.- С. 157-162