способ работы устройства для ожижения газа и устройство для ожижения газа

Формула изобретения

1. Способ работы устройства для ожижения газа, включающий разделение исходного потока сжатого газа на две части, охлаждение первой части в теплообменнике, а второй части - в охладителе с последующим их смешением, расширением и отделением образовавшейся жидкой фазы от газообразной фазы, которую подают в теплообменник обратным потоком, отличающийся тем, что перед охлаждением первую часть исходного потока подают в вихревую трубу, из которой отводят холодный и горячий потоки, причем холодный поток смешивают с обратным потоком и направляют в теплообменник, а горячий - направляют в теплообменник прямым потоком, затем смешивают его с охлажденной в охладителе второй частью исходного потока перед расширением.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горячий поток, выходящий из вихревой трубы, охлаждают в теплообменнике, например, наружного охлаждения.

3. Устройство для ожижения газа, содержащее источник сжатого газа, соединенный параллельно с охладителем и теплообменником, которые далее объединены и сообщены через расширитель с сосудом, имеющим жидкостную и газовую полости, последняя из которых соединена с обратным потоком теплообменника, отличающееся тем, что оно снабжено установленной перед теплообменником вихревой трубой, холодный патрубок которой соединен с обратным потоком перед теплообменником, а горячий патрубок - соединен с прямым потоком перед теплообменником.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что оно снабжено теплообменником, например наружного охлаждения, установленным за горячим патрубком вихревой трубы перед теплообменником.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ работы устройства для ожижения газа, включающий разделение исходного потока сжатого газа на две части, охлаждение первой части в теплообменнике, а второй части - в охладителе с последующим их смешением, расширением и отделением образовавшейся жидкой фазы от газообразной фазы, которую подают в теплообменник обратным потоком [1] .

Такой способ реализуется в конструкции, описанной в [1] . При этом известное устройство для ожижения газа содержит источник сжатого газа, соединенный параллельно с охладителем и теплообменником, которые далее объединены и сообщены через расширитель с сосудом, имеющим жидкостную и газовую полости, последняя из которых соединена с обратным потоком теплообменника.

В простейшем виде в качестве расширителя используется обычный пневмодроссель. Однако дроссельное устройство имеет малую эффективность, поэтому для этих целей чаще применяется хотя и сложное, но высокоэффективное устройство - детандер [2, с. 370, рис. 13.23] , но который из-за высокой стоимости и сложности в эксплуатации все равно имеет ограниченное применение. Поэтому зачастую в качестве расширителя используется совместно работающие дроссель и детандер [2, с. 370, рис. 13.24] .

Однако и такие устройства имеют низкую эффективность ожижения, связанную с тем, что в качестве выходного обратного потока из теплообменника выбрасывается газ, имеющий температуру, близкую к входной температуре охлажденного прямого потока, т. е. в устройстве теряется холод, приобретенный в охладителе. Это является недостатком.

Задачей изобретения является устранение указанного недостатка, т. е. изобретение позволяет повысить эффективность ожижения.

Поставленная задача решается тем, что перед охлаждением первую часть исходного потока подают в вихревую трубу [3] , из которой отводят холодный и горячий потоки, причем холодный поток смешивают с обратным потоком и направляют в теплообменник, а горячий направляют в теплообменник прямым потоком, затем смешивают его с охлажденной в охладителе второй частью исходного потока перед расширением. Кроме того, для повышения эффективности горячий поток, выходящий из вихревой трубы, охлаждают в теплообменнике, например, наружного охлаждения.

При этом устройство для реализации предложенного способа ожижения газа снабжается установленной перед теплообменником вихревой трубой, холодный патрубок которой соединен с обратным потоком перед теплообменником, а горячий патрубок соединен с прямым потоком перед теплообменником. Кроме того, такое устройство снабжается теплообменником, например, наружного охлаждения, установленным за горячим патрубком вихревой трубы перед теплообменником.

Предлагаемый способ работы устройства для охлаждения реализуется в конструкции, изображенной на чертеже.

Устроена предлагаемая конструкция следующим образом. Входной патрубок 1, связанный с источником сжатого газа (не показан), соединен с разделителем потока рабочей среды (тройником-разделителем) 2. Тройник-разделитель 2 имеет патрубки 3 и 4. Патрубок 3 через теплообменник 5 и тройник-смеситель 6 соединен с выходом 7 прямого потока 8 рекуперативного теплообменника 9. Патрубок 4 одновременно является входом в двухпоточную вихревую трубу 10. Вихревая труба имеет еще 2 патрубка - горячий 11 и холодный 12. Горячий патрубок 11 вихревой трубы 10 через канал теплообменника 13 соединен с входом 14 прямого потока 8 теплообменника 9. Холодный патрубок 12 вихревой трубы 10 через тройник-смеситель 15 соединен с входом 16 обратного потока 17 теплообменника 9. Выход 18 обратного потока 17 соединен с выходом 19 устройства для ожижения. Выход 7 прямого потока 8 теплообменника 9 через тройник-смеситель 6, через канал прямого потока 20 второго рекуперативного теплообменника 21 и через дроссель-расширитель 22 соединен с сосудом-накопителем 23 жидкого газа. Сосуд-накопитель 23 жидкого газа имеет жидкостную 24 и газовую 25 полости. Газовая полость 25 через канал обратного потока 26 теплообменника 21, через тройник-смеситель 15, через канал обратного потока 17 теплообменника 9 соединен с выходным патрубком 19 устройства для ожижения газа. Над теплообменником 5 расположен воздушный вентилятор 27, который организует второй поток 28 теплообменника 5.

Такое исполнение охладителя-теплообменника 5 позволяет для предварительного охлаждения потока газа использовать низкие температуры наружного воздуха при эксплуатации ожижителей природного газа в условиях северных газовых месторождений, где очень низкая среднегодовая, а особенно зимняя температура воздуха.

Но этот же второй поток 28 охладителя-теплообменника 5 может быть организован не только потоком воздуха от вентилятора, но и хладагентом от постороннего холодильника, например фреонового, аммиачного, пропанового и т. п. (не показан).

Рассматриваемое устройство для реализации предлагаемого способа работает следующим образом. Поступающее через входной патрубок 1 рабочее тело (сжатый газ) в тройнике-разделителе 2 разделяется на два потока: первый из них через патрубок 4 поступает на вход вихревой трубы 10. Второй поток через патрубок 3 образует внутренний поток охладителя-теплообменника 5, где охлаждается и поступает на вход тройника-смесителя 6.

В вихревой трубе 10 поток, поступивший на вход 4, вновь разделяется на два потока - горячий 11 и холодный 12. Горячий поток 11 вихревой трубы 10, проходя через канал теплообменника 13, остывает и поступает на вход 14 прямого потока 8 теплообменника 9. В этом теплообменнике 9 прямой поток выхолаживается от обратного потока 17 и поступает в тройник-смеситель 6, где смешивается с охлажденным потоком, поступающим из теплообменника 5, после чего по каналу прямого потока 20 теплообменника 21 и через дроссель-расширитель 22 подается в сосуд-накопитель 23 жидкого газа. В пневмодросселе 22 газ дросселируется (расширяется и дополнительно охлаждается). В нем образуются две фазы: жидкая и газообразная. Поступая в сосуд-накопитель 23 жидкого газа, двухфазный поток разделяется: жидкость скапливается на дне, откуда может быть слита, а холодная газообразная фаза, скапливаясь в газовой полости 25, уходит вверх и через канал 26 поступает в тройник-смеситель 15, где, смешиваясь с холодным потоком 12 вихревой трубы 10, организует холодный обратный поток 17 теплообменника 9. В этом теплообменнике 9 обратный поток 17 отбирает тепло от прямого потока 8, тем самым выхолаживает его. Нагретый от прямого потока 8 обратный поток 17 направляется в выходной патрубок 19 устройства для ожижения газа, а жидкий криопродукт сливается из холодоприемника и отправляется потребителю. В зависимости от термодинамической задачи применяемый теплообменник может состоять или только из одной части 9 (не показано), или из двух частей 9 и 21 (см. чертеж).

Предварительное срабатывание давления газа в вихревой трубе, являющейся более эффективным расширителем-охладителем, чем обычный дроссель, позволяет не только повысить термодинамическую эффективность, но и уменьшить рабочие давления в теплообменниках, что упрощает их и уменьшает их стоимость. Предварительное охлаждение в теплообменнике 13 горячего потока 11, поступающего прямым потоком в теплообменник 9, также повышает термодинамическую эффективность устройства.

В этом состоит основная техническая сущность изобретения.

Предлагаемое техническое решение может быть применимо не только в системах ожижения газа, но и для других целей, например для работы в рефрижераторном режиме, в кондиционерах, в специальных технологиях и т. п.

Литература

1. С. Ф. Гудков, А. Д. Двойрис, Г. Э. Одишария, О. М. Иванцов и А. А. Беспятко. Способ сжижения газовой смеси. Авторское свидетельство 423990, М. кл. F 25 J 1/00 от 22.05.72.

2. А. В. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шейдлин. Техническая термодинамика. - М: Энергомашиностроение, 1983.

3. А. П. Меркулов. Вихревой эффект и его применение в технике. - М. : Машиностроение, 1969.