Системы предварительного охлаждения в современных ожижителях водорода

Обоснование. В настоящей работе представлены рекомендации по выбору схемы установки ожижения водорода малой производительности до 20 кг/ч (0,48 тонн/сутки). Основными рассматриваемыми критериями являются удельные энергозатраты цикла ожижения, капитальные затраты для его организации, а также общие характеристики систем ожижения. В ходе настоящего исследования были рассмотрены теоретический и реальный циклы ожижения водорода, было проведено математическое моделирование цикла с учетом реальных параметров оборудования. Были выявлены преимущества и недостатки некоторых технологических решений, а проанализированы тренды изменения эффективности установок сжижения водорода в целом. По результатам проведенного анализа были выбраны основные элементы цикла для установок ожижения водорода малой мощности.

Цель работы — рассмотреть теоретические и реальные циклы ожижения водорода, провести математическое моделирование цикла с учетом реальных параметров оборудования

Методы. В программной среде Aspen HYSYS было проведено моделирование цикла ожижения водорода. Дальнейшая оптимизация и подбор оптимальных значений рабочих параметров проведены с помощью модуля Global Optimization Toolbox программного комплекса MATLAB

Результаты. Выявлены преимущества и недостатки технологических решений, применяемых в установках ожижения водорода. Определена тенденция повышения эффективности установок сжижения водорода.

Заключение. В данной работе представлено сравнение энергозатрат на ожижение различных газов, которое показывает возможность снижения энергозатрат на ожижение водорода. Показано влияние непрерывной орто-пара-конверсии или увеличения ступеней конверсии на энергопотребление. Описаны основные особенности холодильных циклов и обоснован выбор цикла предварительного охлаждения на смешанном хладагенте (СХА). Экономические показатели, характеризующие холодильные машины, работающие на СХА, сравнивали с экономическими показателями систем, использующих предварительное охлаждение продукта жидким азотом. Описаны основные трудности выбора хладагента при моделировании. Представлены основные принципы моделирования и выбора параметров оптимизации цикла ожижения водорода малой мощности. Смоделирован низкотемпературный гелиевый цикл, затем с учетом полученных результатов смоделирован контур предварительного охлаждения на смесевом хладагенте. Выявлен оптимальный диапазон температур (80-100К) предварительного охлаждения на смесевом хладагенте, при котором наблюдается снижение общего удельного энергопотребления в установках ожижения водорода малой мощности.