СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА И ПУЛЬСАЦИОННЫЙ ОХЛАДИТЕЛЬ ГАЗА Российский патент 1995 года по МПК F25B9/00 

Изобретение может быть использовано во многих отраслях промышленности в системах хладоснабжения, а также в газовом хозяйстве.

Известен способ охлаждения газа путем поочередной подачи высокоскоростной газовой струи в теплоотводящие трубки, отвода тепла сжатия и вывода охлажденного потока газа к потребителю. В соответствии с этим способом струю отклоняют от оси истечения, а охлажденный поток закручивают вокруг этой оси и направляют навстречу газовой струе [1]
Недостатком такого способа является низкая эффективность охлаждения из-за использования струйного метода газораспределения.

Известен охладитель газа, содержащий газораспределительную камеру с размещенным по ее оси соплом и подключенные к камере теплоотводящие трубки, причем камера имеет форму тела вращения и снабжена конусообразным насадком, обращенным вершиной в сторону сопла, и лопатками, установленными наклонно на боковой поверхности, а центры трубок расположены по окружности. Охладитель может дополнительно содержать управляющий пневмоцилиндр с подвижным поршнем [1] В этом охладителе реализуется известный способ охлаждения газа.

Недостатком охладителя является низкая эффективность охлаждения, связанная с недостатком способа, который реализуется в этом устройстве.

Наиболее близким к изобретению является способ охлаждения газа путем разделения общего расхода газа на две доли, подачи меньшей доли общего расхода газа в количестве 5-8% в турбину и расширения в ней, подачи оставшегося расхода газа в газораспределитель с соплами, приводимый во вращение за счет выделяемой в турбине механической энергии и реактивной тяги, создаваемой газом, вытекающим из сопл, поочередной подачи газовой струи из сопл газораспределителя в приемные трубки (рецепторы), отвода от трубок тепла, выделяемого при сжатии газовой струей находящегося в трубках приемного газа, смешения обеих долей потока и вывода охлажденного потока к потребителю [2]
Недостатком этого способа является то, что перепады давления, которые могут эффективно использоваться при таком способе охлаждения газа, в большинстве случаев являются закритическими. Поскольку в турбине расширения при этом срабатывается полный перепад давления, это ведет к потерям энергии и требует особых мер по обеспечению безотрывных течений.

Известен также пульсационный охладитель газа, в котором реализуется известный способ охлаждения [2] Охладитель содержит корпус с подводящим и отводящим патрубками, имеющий две рабочие камеры, в одной из них помещена турбина расширения, а в другой на одном валу с турбиной установлен газораспределитель с соплами и встроены приемные трубки, концы которых со стороны, противоположной газораспределителю, объединены в одну или несколько концевых емкостей или заглушены, причем вал имеет полый участок, через который осуществляется подача газа в газораспределитель.

Недостатками охладителя являются связанные с недостатком способа, реализуемого в этом устройстве, потери энергии из-за сверхзвуковой скорости истечения газа из направляющего аппарата турбины и необходимость профилирования направляющего аппарата и лопаток.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение потерь энергии в процессе охлаждения газа и повышение эффективности этого процесса.

Этот технический результат достигается тем, что согласно способу охлаждения газа путем подачи газа в турбину, расширения в ней с обеспечением вращения газораспределителя, подачи газа через газораспределитель в приемные пульсационные трубки, отвода от трубок тепла и вывода охлажденного газа к потребителю, подачу газа в турбину и в газораспределитель ведут последовательно, причем газ в турбину подают с дозвуковой скоростью, а расширение в турбине производят срабатыванием перепада давления, составляющего 5-8% полного располагаемого перепада.

В пульсационном охладителе газа, содержащем корпус с подводящим и отводящим патрубками, размещенные в корпусе две рабочие камеры, в одной из которых установлена турбина расширения, а в другой и на одном валу с турбиной газораспределитель с соплами, причем в корпус введены приемные пульсационные трубки, а вал имеет полый участок, сообщенный с газораспределителем, полый участок вала сообщен с камерой турбины посредством дополнительно выполненных на валу окон, камеры газораспределителя и турбины отделены друг от друга перегородкой, а на валу между камерами установлены уплотнения.

Предлагаемый способ заключается в том, что процесс расширения потока газа, направляемого на охлаждение, последовательно производят в двух ступенях различного типа. В первой ступени расширения полнопоточной турбине срабатывают, преобразуя кинетическую энергию газа в работу, незначительный перепад давления, составляющий 5-8% располагаемого перепада. Этот перепад давления обеспечивает вращение с необходимым числом оборотов газораспределительного устройства второй ступени расширения и, кроме того, делает возможным подачу газа в турбину с дозвуковой скоростью. Частично охлажденный в первой ступени расширения газ направляется далее во вторую ступень расширения, где за счет срабатывания оставшегося перепада давления происходит основное охлаждение газа. В соплах газораспределителя второй ступени часть внутренней энергии сжатого газа преобразуется в кинетическую энергию. В результате вращения газораспределителя осуществляется периодическая подача газа в приемные трубки, где поступающий газ совершает работу по сжатию газа, находящегося в приемных трубках. Тепло, выделяемое при сжатии, отводят, а охлажденный газ, вытекающий из приемных трубок, направляют потребителю.

На чертеже показан пульсационный охладитель газа.

Охладитель содержит корпус 1 с подводящим 2 и отводящим 3 патрубками и двумя рабочими камерами. В рабочей камере 4 помещена турбина 5 расширения. В рабочей камере 6 на одном валу 7 с турбиной установлен газораспределитель 8 с соплами 9 и встроены приемные трубки 10. Концы трубок со стороны, противоположной газораспределителю, объединены в концевую емкость 11. Вал имеет полый участок 12, через который осуществляется подача газа в газораспределитель. Полый участок вала сообщен с камерой турбины посредством окон 13. Камеры газораспределителя и турбины отделены друг от друга перегородкой 14. На валу между камерами установлены уплотнения 15.

Охладитель работает следующим образом.

Газ по патрубку 2 направляют в рабочую камеру 4, в которой помещена турбина 5 расширения. В турбине газ, расширяясь с небольшим перепадом давления, совершает работу, достаточную для вращения газораспределителя, установленного на одном валу 7 с турбиной, и частично охлаждается. Далее газ через окна 13 и полый участок 12 вала подается в сопла 9 газораспределителя 8. В результате вращения газораспределителя газ периодически подается в приемные трубки 10, где он сжимает газ, находящийся в приемных трубках и концевой емкости 11. Тепло, выделяемое при сжатии, отводится через стенки приемных трубок и концевой емкости в окружающую среду. Охлажденный газ, вытекающий из отверстия приемных трубок в рабочую камеру 6, направляют потребителю через отводящий патрубок 3. Перегородка 14 и уплотнения 15 отделяют рабочую камеру турбины от камеры газораспределителя и предотвращают возможность перетечек.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым при его использовании техническим результатом состоит в следующем. При расширении в сопле критическое отношение давления выхода к давлению входа для воздуха, например, составляет 0,528. Когда в работающей на воздухе турбине срабатывается перепад давления, равный двум и более, скорость истечения, чтобы не произошло необратимых потерь давления в направляющем аппарате турбины, должна быть сверхзвуковой. Это требует специального профилирования направляющего аппарата, а также лопаток турбины для того, чтобы предотвратить отрывные течения в межлопаточном канале при сверхзвуковых скоростях. Незначительный перепад давления, срабатываемый в турбине, по изобретению обеспечивает дозвуковую скорость подачи газа, что исключает необходимость принятия сложных мер по созданию условий для безотрывного обтекания и гарантирует достаточно высокую эффективность процесса при самом простом конструктивном оформлении турбины. Заявляемый срабатываемый в турбине перепад давления 5-8% располагаемого перепада, с одной стороны, обеспечивает вращение с необходимым числом оборотов газораспределительного устройства второй ступени расширения, с другой стороны, позволяет сохранить в ней почти весь располагаемый перепад давления, что обеспечивает высокую эффективность охлаждения газа.

Использование: в системах хладоснабжения и в газовом хозяйстве. Сущность изобретения: газ в турбину 5 расширения подают с дозвуковой скоростью и расширяют при срабатывании 5 8% от располагаемого перепада давления через вращаемый газораспределитель 8. Из турбины 5 газ подают в приемные трубки 10, от которых отводят тепло, а охлаждаемый поток выводят к потребителю. Охладитель содержит корпус 1 с двумя камерами 4 и 6. В камере 4 помещена турбина 5. В камере 6 установлен газораспределитель 8 и встроены приемные трубки 10. Камеры 4 и 6 отделены друг от друга перегородкой 14 с уплотнителями 15. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ охлаждения газа путем подачи газа в турбину, расширения в ней с обеспечением вращения газораспределителя, подачи газа через газораспределитель в приемные пульсационные трубки, отвода от трубок тепла и вывода охлажденного газа к потребителю, отличающийся тем, что подачу газа в турбину и в газораспределитель ведут последовательно, причем газ в турбину подают с дозвуковой скоростью, а расширение в турбине производят срабатыванием перепада давления, составляющего 5 8% полного располагаемого перепада. 2. Пульсационный охладитель газа, содержащий корпус с подводящим и отводящим патрубками, размещенными в корпусе две рабочие камеры, в одной из которых установлена турбина расширения, а в другой и на одном валу с турбиной газораспределитель с соплами, причем в корпус введены приемные пульсационные трубки, а вал имеет полый участок, сообщенный с газораспределителем, отличающийся тем, что полый участок вала сообщен с камерой турбины посредством дополнительно выполненных на валу окон, камеры газораспределителя и турбины отделены одна от другой перегородкой, а на валу между камерами установлены уплотнения.