С каждым подъёмом на высоту атмосферное давление снижается, а температура кипения жидкого азота падает вслед за ним. Само оборудование не меняется, но процесс охлаждения одной и той же партии продукта на одной и той же машине будет иным. В проектах на высоте более 2000 m (высокогорье Южной Америки, Юньнань-Гуйчжоуское нагорье, часть регионов Центральной Азии) на этапе проектирования местное атмосферное давление нужно принимать как входной параметр, а не напрямую применять равнинные параметры.
Что действительно меняется в высокогорных условиях
| Параметр | Направление изменения | Влияние на процесс заморозки |
|---|---|---|
| Местное атмосферное давление | Снижается с ростом высоты | Все этапы, измеряемые по давлению, требуют пересчёта |
| Температура кипения жидкого азота | Снижается с падением атмосферного давления | Жидкий азот испаряется легче, доступная разность температур и условия теплообмена меняются |
| Плотность воздуха | Снижается | При той же частоте вращения вентилятора массовый расход воздуха уменьшается |
| Условия охлаждения компрессора | Разрежённый воздух, теплоотвод ухудшается | Воздушный конденсатор требует увеличения или перехода на водяное охлаждение |
Из этих пунктов в первую очередь нужно проверять атмосферное давление и температуру кипения жидкого азота, поскольку они напрямую определяют фактическую температурную среду, которую продукт видит в камере или туннеле. Вблизи высоты 2000 m атмосферное давление составляет примерно восемь десятых от стандартного, температура кипения жидкого азота соответственно снижается на несколько градусов; конкретные значения определяются по фактически измеренному атмосферному давлению в месте проекта, грубая оценка по высоте недопустима.
На этапе проектирования требуется от заказчика: место расположения проекта (город), высота над уровнем моря, местное измеренное или доступное для справки атмосферное давление, диапазон температур окружающей среды на площадке. Только с этими четырьмя пунктами можно определить, нуждается ли оборудование в корректировке конфигурации.
Снижение температуры кипения жидкого азота — это хорошо или плохо для заморозки
Нельзя ответить однозначно, нужно рассматривать в двух частях.
Первое — источник холода. Доступная холодопроизводительность жидкого азота складывается из скрытой теплоты парообразования и явной теплоты нагрева низкотемпературного азота. После снижения температуры кипения разность температур явной теплоты между точкой кипения и целевой температурой вытяжного воздуха сокращается, количество тепла, отводимого единицей массы жидкого азота, немного уменьшается. При неизменных партии, способе загрузки и целевой температуре в центре продукта теоретический предел немного повышается.
Второе — условия теплообмена. Разность температур между жидким азотом и продуктом определяется от «температуры жидкого азота» до «температуры продукта». Снижение температуры кипения означает, что жидкий азот становится холоднее, разность температур между продуктом и источником холода увеличивается, скорость теплообмена в единицу времени возрастает. Два эффекта действуют в противоположных направлениях, результат зависит от толщины продукта, плотности загрузки и способа подачи жидкости, и может быть определён только путём пробных испытаний, а не выведен по одной формуле.
Вывод: производительность и расход высокогорных проектов при прямом применении равнинных параметров будут иметь отклонение, необходимо закладывать запас на корректировку в проекте.
Вытяжка и вентиляторы: пересчёт по массовому расходу
Этап вытяжки легко упустить. Объём азота, образующегося после испарения жидкого азота, при той же массе увеличивается с падением атмосферного давления, то есть на высокогорной площадке та же партия жидкого азота даёт больший объём газа. Вытяжной вентилятор подбирается по объёмному расходу; если скопировать равнинный расход воздуха, на площадке может возникнуть ситуация, когда газ не отводится.
- Рассчитать массу образующегося азота по количеству жидкого азота на партию, затем пересчитать в объёмный расход по местному атмосферному давлению;
- Расход вентилятора принимать с запасом по пересчитанному объёмному расходу;
- После снижения плотности азота способность к воздухообмену при том же давлении вентилятора падает, сопротивление воздуховодов требует пересчёта.
О подходах к вытяжке и мониторингу концентрации кислорода в камерах криогенной заморозки жидким азотом см. Вытяжка и мониторинг концентрации кислорода в камерах криогенной заморозки жидким азотом; в туннельных линиях на входе и выходе продукта предусмотрены патрубки отбора отходящего газа, конструкция и параметры расхода воздуха — см. Туннель криогенной заморозки жидким азотом.
Холодильная и электрическая часть: критерий перехода с воздушного на водяное охлаждение
Высокогорье обычно сопровождается двумя обстоятельствами: низкая плотность воздуха и большой перепад дневных и ночных температур. Для оборудования криогенной заморозки жидким азотом холодильная часть в основном используется во вспомогательных звеньях (например, в холодильном цикле секции предварительного охлаждения или иммерсионной машины быстрого охлаждения); если эта часть использует воздушный конденсатор, после подъёма на высоту способность к теплоотводу падает, необходимо оценить, следует ли переходить на водяное или испарительное охлаждение.
Рекомендуемый порядок оценки:
- Сначала определить, какие звенья оборудования зависят от воздушного теплоотвода (воздушный конденсатор, отвод тепла от электрошкафа, гидравлические или пневматические компоненты);
- Пересчитать способность к теплоотводу по местной плотности воздуха;
- Недостающую часть перевести на жидкостное охлаждение или увеличить площадь теплоотвода;
- Электрические компоненты подбирать отдельно по местному напряжению и частоте.
О ключевых моментах подбора, связанных с напряжением и частотой, см. Подбор оборудования для заморозки при различиях напряжения и частоты на экспортных рынках.
Перечень исходных данных с площадки
В разбивке по вышеперечисленным пунктам исходные данные с площадки, которые необходимо получить на этапе проектирования высокогорного проекта:
| Пункт данных | Назначение |
|---|---|
| Место расположения проекта и высота над уровнем моря | Предварительная оценка диапазона давления |
| Местное атмосферное давление | Пересчёт температуры кипения жидкого азота и объёма азота |
| Диапазон температур окружающей среды и влажность | Оценка теплоотвода оборудования и конденсации |
| Напряжение питания, частота, число фаз | Подбор электрических компонентов |
| Условия охлаждающей воды (температура, расход, качество) | Определение схемы воздушного/водяного охлаждения |
| Высота цеха и условия вытяжки | Компоновка вытяжки и трубопроводов |
Когда данные собраны, конфигурация имеет основание; при восполнении недостающих пунктов по опыту вероятность ошибки возрастает. О составе расхода жидкого азота и контролируемых на площадке факторах см. Расход жидкого азота при криогенной заморозке: какие факторы его повышают и как управлять на площадке.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли использовать ту же модель в высокогорных районах?
Да, в большинстве случаев модель не меняется, изменяются детали конфигурации: расход вытяжного воздуха пересчитывается по местному атмосферному давлению, оценивается необходимость перехода воздушного конденсатора на водяное охлаждение, электрические компоненты подбираются по местному напряжению и частоте. Конкретный объём изменений определяется после ознакомления с данными с площадки.
Начиная с какой высоты необходим пересчёт?
Единой границы нет. Обычно при высоте более 1000 m следует начинать проверку вытяжки и теплоотвода, при высоте более 2000 m рекомендуется принимать атмосферное давление как входной параметр проекта. Для равнинных проектов ниже 1000 m можно использовать стандартное атмосферное давление.
Нужно ли менять хранение жидкого азота и трубопроводы подачи?
Подбор резервуаров и трубопроводов определяется поставщиком газа по местным условиям; наша сторона предоставляет требования к расходу газа и присоединительным размерам оборудования. Длина и трассировка вакуумно-изолированных трубопроводов подтверждаются на этапе компоновки, соответствующие моменты см. Ключевые моменты проектирования резервуаров жидкого азота и криогенных трубопроводов.
Влияет ли высокогорье на качество заморозки?
Качество зависит от времени прохождения продуктом зоны образования кристаллов льда, что определяется кривой охлаждения, а не напрямую высотой. Высота изменяет способность оборудования работать по проектной кривой; при правильном пересчёте параметров кривая воспроизводится.
Для проектов заморозки в высокогорных или особых условиях можно направить место расположения проекта, высоту, температуру окружающей среды, условия электропитания и информацию о продукте на партию — мы дадим рекомендации по конфигурации исходя из фактических условий: Связаться с Kunning Cryo
Приведённые в тексте соотношения физических свойств (снижение атмосферного давления с высотой, изменение температуры кипения жидкого азота от давления) являются общеизвестными физическими фактами; параметры оборудования и подходы к вытяжке взяты из технической документации камер и туннелей криогенной заморозки жидким азотом Kunning Cryo, данные по каждой модели определяются соответствующей технической спецификацией.