способ работы устройства для охлаждения и устройство для охлаждения

Формула изобретения

1. Способ работы устройства для охлаждения, включающий разделение потока газа на два потока, один из которых подается в теплообменник, а другой в расширитель, отличающийся тем, что поток газа расширяют и разделяют на два потока в двухпоточной вихревой трубе, при этом холодный поток смешивают с обратным потоком на входе в теплообменник.

2. Способ работы устройства для охлаждения по п.1, отличающийся тем, что горячий поток смешивают с обратным потоком на выходе из теплообменника.

3. Устройство для охлаждения, содержащее разделитель потока газа, расширитель, теплообменник и холодильник, отличающийся тем, что расширитель выполнен в виде двухпоточной вихревой трубы, холодный патрубок которой подключен к входному патрубку обратного потока теплообменника.

4. Устройство для охлаждения по п.3, отличающееся тем, что горячий патрубок вихревой трубы подключен к выходному патрубку обратного потока теплообменника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания охлаждающих устройств, работающих на использовании свойств расширяющегося газового потока.

Известен способ работы устройства для охлаждения, включающий разделение потока газа на два потока, один из которых подается в теплообменник, а другой - в расширитель для отбора части энергии сжатого газа. Такой способ реализуется в конструкции, описанной в "Разделение воздуха методом глубокого охлаждения", под ред. Е.И.Епифановой, Л.С. Аксельрода, М.: Машиностроение, 1973, т. 1, с. 68, рис. 36. При этом известное устройство для охлаждения содержит разделитель потока газа, расширитель, теплообменник, дроссель и холодоприемник.

В качестве расширителя используется или обычный дроссель, или детандер. Обычное дроссельное устройство имеет малую эффективность, поэтому в основном для этих целей применяется хотя и сложное, но высокоэффективное устройство - детандер.

Однако способ, реализуемый в устройстве для охлаждения с детандером, и устройство, в котором в качестве расширителя используется детандер, обладают рядом существенных недостатков, к которым нужно отнести:

- высокие требования к составу рабочего тела, которыми определяется конструкция и режимы работы детандера, т.е. детандер должен быть заранее спроектирован для работы на определенном рабочем теле и в определенных температурных режимах;

- при эксплуатации параметры рабочего тела и режимы работы детандера должны быть такими, чтобы в процессе охлаждения не возникало двухфазной области с образованием капельной жидкости. Ибо капельная жидкость вызывает эрозию и разрушение рабочих поверхностей и в конечном итоге приводит к аварийной остановке всего устройства;

- существенная зависимость КПД детандера при подходе к двухфазной области, что при прочих равных условиях нарушает режим работы всей установки ожижения и, как следствие, снижает коэффициент ожижения;

- длительность запуска и точность регулировки детандера для введения и сохранения оптимального режима работы всей системы ожижения накладывает высокие требования к квалификации обслуживающего персонала и ограничивает маневренность производства жидкого криопродукта;

- стабильное сохранение оптимального режима работы детандера требует обязательного наличия нагрузки (генератор, компрессор и т.д.);

- сама по себе установка детандера требует дополнительных капитальных затрат (высокая стоимость детандера, нагрузочного оборудования и сооружение для каждого из них специального фундамента);

- сравнительно малый ресурс работы детандера.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения, упростить конструкцию и повысить ее надежность.

Указанная задача достигается тем, что в способе работы устройства для охлаждения, включающем разделение потока газа на два потока, один из которых подается в теплообменник, а другой в расширитель, поток газа расширяют и разделяют на два потока в двухпоточной вихревой трубе, при этом холодный поток смешивают с обратным потоком на входе в теплообменник.

Кроме того, горячий поток может быть смешан с обратным потоком на выходе из теплообменника.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве для охлаждения, содержащем разделитель потока газа, расширитель, теплообменник и холодильник, расширитель выполнен в виде двухпоточной вихревой трубы, холодный патрубок которой подключен к входному патрубку обратного потока теплообменника.

Кроме того, горячий патрубок вихревой трубы подключен к входному патрубку обратного потока теплообменника.

Способ работы устройства для охлаждения реализуется в конструкции, изображенной на фиг. 1, 2, 3 и 4.

Устроена данная конструкция следующим образом.

Входной патрубок 1 соединен с разделителем потока рабочей среды (тройником) 2. Разделитель потока (тройник) 2 соединен со входом 3 вихревой трубы 4 и со входом прямого потока 5 теплообменника 6. Выход прямого потока 5 теплообменника 6 посредством трубопровода 7 соединен с входом дросселя 8. Выход дросселя 8 соединен с входом холодоприемника 9. Сливной патрубок 10 холодоприемника перекрыт вентилем (на фиг. не показан). Выход холодоприемника 9 с помощью трубопровода 11 и смесителя (тройника) 12 присоединен ко входу обратного потока 13 теплообменника 6 и к выходу 14 вихревой трубы 4. Выход обратного потока 13 теплообменника 6 подсоединен к выхлопному патрубку 15. Вихревая труба 4 имеет два выхода: холодный патрубок 14 и горячий - 16. Такая труба может работать в двух режимах: однопроходном и двухпроходном. При работе в однопроходном режиме горячий выход закрывается заглушкой 17 (фиг. 1). При работе в двухпроходном режиме (фиг. 2, 3 и 4) заглушка отсутствует. При таком режиме работы, в зависимости от поставленной задачи, патрубок горячего выхода 16 или (для работы на воздухе) соединен с выхлопным патрубком 18 (фиг. 2) для сброса в окружающую среду, или (для работы с ценными газами, например, с метаном) соединен со смесителем (тройником) 19, один конец которого соединен с выходом обратного потока 13 теплообменника 6, а другой - с выходным патрубком 20 (фиг. 3 и 4), который может присоединяться к коллектору для сбора газа.

В зависимости от поставленной задачи теплообменник может состоять или из одной части 6 (фиг. 1, 2 и 3), или из двух частей 6 и 21 (фиг. 4).

Таким образом, рассматриваемое устройство для охлаждения состоит из следующих известных элементов: разделителя потока газа (2), активного расширителя (одно- или двухпоточной вихревой трубы) 4, теплообменника 6, дросселя 8 и холодильника 9.

Рассматриваемое устройство для реализации способа работает следующим образом.

Поступающее через входной патрубок 1 в исходном термодинамическом состоянии рабочее тело в разделителе потоков 2 разделяется на два потока, первый из которых образует прямой поток 5 теплообменника 6, а второй - входной поток двухпоточной вихревой трубы 4. В вихревой трубе 4 поток газа вновь разделяется на два, которые уже отличаются по температуре, при этом холодный поступает в патрубок 14, а горячий - в патрубок 16 (фиг. 2, 3 и 4). Холодный поток из патрубка 14 вместе с холодным потоком, поступающим по трубопроводу 11 от холодоприемника 9 через смеситель 12, поступает на вход обратного потока 13 теплообменника 6. Смешанный холодный обратный поток 13 в теплообменнике 6 выхолаживает теплый прямой поток 5 и поступает в выхлопной патрубок 15, из которого или выбрасывается в атмосферу (если используется воздух) (см. фиг. 1, 2), или через тройник 19 смешивается с горячим потоком, выходящим из патрубка 16 (если нужно сохранить выходящий газ) (см. фиг. 3 и 4), откуда через патрубок 20 поступает в сборный коллектор (на фиг. не показан). Охлажденный прямой поток 5 из теплообменника 6 по трубопроводу 7 поступает в дроссель 8, где дросселируется (расширяется и дополнительно охлаждается). В нем образуются две фазы: жидкая и газообразная. Поступая в холодоприемник 9, двухфазный поток разделяется - жидкость скапливается на дне сосуда 9, откуда может быть слита через патрубок 10, а холодная газообразная фаза смешивается с холодным потоком из патрубка 14 вихревой трубы, образует холодный обратный поток 13 теплообменника 6.

Схема с однопоточной вихревой трубой (фиг. 1) реализует минимальное охлаждение и может использоваться для работы в рефрижераторном режиме. Схема с двухпоточной вихревой трубой (фиг. 2, 3 и 4) реализует более эффективное охлаждение и может использоваться для ожижения газа. Если нужно добиться максимального охлаждения, то нужно реализовать схему с двумя теплообменниками 6 и 21 (рис. 4).

Выходной поток рабочей среды в патрубке 20 образуется путем смешения в смесителе-тройнике 19 двух потоков: теплого потока из патрубка 16 и обратного потока основного теплообменника 6, при этом непременным условием является повышение энтальпии выходного потока относительно энтальпии входного потока и, как следствие этого, температура рабочей среды в выходном патрубке 20 может быть равной или даже выше температуры рабочей среды во входном патрубке 1. Поэтому одновременно с этим может решаться основная задача дросселирования магистрального потока газа без охлаждения и сопутствующего ему процесса образования гидратов. Вследствие этого повышается надежность регулирующей системы на ГРС, где и имеет смысл устанавливать подобные системы ожижения газа, совмещающие процесс ожижения части газа с подогревом остающегося потока.

Проведенные исследования показали, что рассматриваемая конструкция устройства для охлаждения с расширителем, выполненным в виде вихревой трубы, обладает следующими преимуществами:

- малой чувствительностью к составу рабочего тела, которыми определяется конструкция и режимы работы детандера, т.е. одно и то же устройство может работать с разными рабочими телами;

- малой чувствительностью к появлению двухфазной среды с образованием капельной жидкости;

- очень коротким временем запуска, определяемым только тепловой инерционностью конструкции;

- простотой конструкции и отсутствием требований к высокой квалификации обслуживающего персонала - установка способна длительное время (несколько месяцев) работать в автономном режиме без квалифицированного обслуживания;

- отсутствием необходимости внешних устройств (генератор, компрессор и т.д.);

- для запуска устройства не требуется никаких дополнительных капитальных затрат - устройство "привязывается" к действующей ГРС двумя трубами 1 и 20;

- высоким ресурсом работы, определяемым только износостойкостью материалов.

О технической применимости предложения.

Во всех случаях использования детандера основным критерием его применимости является минимизация удельных энергетических затрат на производство криопродукта и высокий коэффициент ожижения. Но в ряде конкретных практических задач, когда имеются даровые источники энергии (давление газа в магистральном трубопроводе, пластовое давление в нефтегазовых скважинах), когда вопрос об удельных энергетических затратах и величине коэффициента ожижения не стоит так остро, акценты на преимущества и недостатки могут существенно измениться. Именно такая ситуация складывается в решении задачи получения сжиженного природного газа для выполнения известной федеральной программы по обеспечению благоустройства сельскохозяйственных территорий за счет использования давления в магистральном газопроводе на газораспределительной станции (ГРС). Подчеркнем, что по технологии режима работы ГРС обязательно необходим сброс магистрального давления (30 - 50 ати) до потребительского стандарта (1, 6 и 12 ати). На существующих ГРС эта энергия газа под давлением практически не используется - она попросту сбрасывается за счет дросселирования. Но при таком дросселировании происходит охлаждение арматуры, образование гидратов, засоряющих газопровод, и зачастую выход автоматики да и всего газопровода из строя. Поэтому часть поступающего газа сжигается для подогрева основного потока.

Подсчитано, что для решения задачи обеспечения сжиженным природным газом сельских районов требуется ожижать всего лишь 5 - 10% от всего газа, распределяемого на среднестатистическую районную ГРС, т.е. именно то количество, которое расходуется на вынужденное сжигание для подогрева всего потока. Но рассматриваемая конструкция, выдавая из патрубка 20 подогретый газ, снимает проблему его специального подогрева за счет сжигания. В результате сжиженный криопродукт в количестве 5 - 8% от исходного оказывается практически бесплатным - в его стоимость входят только технологические издержки и стоимость перевозки в криостате. Именно на такое применение и нацелено предлагаемое техническое решение. Однако изобретение может быть использовано не только для ожижения газа, но и для других целей, например, для работы в рефрижераторном режиме, в кондиционерах и т.п.