СПОСОБ ОЖИЖЕНИЯ ГАЗА И ОЖИЖИТЕЛЬ, РЕАЛИЗУЮЩИЙ ЭТОТ СПОСОБ Российский патент 1999 года по МПК F25J1/00 

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

Известен способ работы устройства для ожижения, включающий процесс конденсации газа при его расширении. Такой способ реализуется в конструкции, описанной в [1] . При этом известное устройство для ожижения содержит теплообменник, расширитель (дроссель) и конденсатор, в котором находится зона конденсации.

В качестве конденсатора в известном устройстве для ожижения используется специальное сопло-отделитель, в котором происходит расширение и охлаждение движущегося газа. При этом часть охлаждающегося газа сжижается. Оставшийся несжиженный газ выходит из устройства при температуре ненамного выше температуры ожижения.

Однако такой способ, реализуемый в известном устройстве для ожижения, обеспечивает очень низкий коэффициент ожижения. Это можно объяснить тем, что конденсация любого газа при его охлаждении сопровождается интенсивным электромагнитным, в том числе и тепловым, излучением.

Подсчитано, что при охлаждении метана до начала конденсации, т.е. от 283 до 110 K, требуется отвести 380 кДж/кг энергии, а в процессе конденсации излучается еще около 500 кДж/кг энергии, но которая опять поглощается конденсирующейся жидкостью и тем самым подогревает ее. То есть коэффициент ожижения у известных бездетандерных (безмашинных) ожижителей в 2, 3 раза ниже теоретически возможного, что является существенным недостатком.

Техническим результатом предложения является устранение указанного недостатка, т. е. изобретение позволяет повысить эффективность ожижения. Это достигается тем, что возникающее при конденсации газа электромагнитное излучение выводится из зоны конденсации с помощью специальных устройств.

Данный технический результат достигается при осуществлении способа ожижения газа, включающего процесс конденсации газа при его расширении, тем, что возникающую в процессе ожижения газа энергию конденсации в виде электромагнитного излучения выводят из зоны конденсации.

Технический результат достигается также с помощью ожижителя, содержащего теплообменник, расширитель и конденсатор, в котором находится зона конденсации, в котором согласно настоящему изобретению конденсатор содержит устройство, выводящее из зоны конденсации излучение, возникающее при конденсации газа.

Устройство, выводящее из зоны конденсации излучение, может быть выполнено в виде стенок конденсатора, изготовленного из материала, прозрачного для излучения, возникающего при конденсации газа. Излучение может поглощаться поверхностью зоны поглощения приемника излучения, охлаждаемой средой, более холодной, чем ожижаемый газ.

Устройство, выводящее излучение, может содержать одно или несколько зеркал, отражающих излучение, и приемник излучения.

Кроме того, устройство, выводящее из зоны конденсации излучение, возникающее при конденсации газа, может быть выполнено в виде проточного лазера.

Предлагаемый способ работы устройства для охлаждения реализуется в вариантах конструкций, изображенных на фиг. 1, 2, 3, 4, 5 и 6.

Устроена предлагаемая конструкция следующим образом. Теплообменник 1 содержит входной 2 и выходной 3 патрубки прямого потока 4, а также входной 5 и выходной 6 патрубки обратного потока 7. Выходной патрубок 3 прямого потока присоединен к патрубку 8 расширителя 9, выход из которого расположен внутри конденсатора 10. Конденсатор представляет собой замкнутую емкость с несколькими штуцерами. Расширитель может быть или пассивным (дроссель), или активным (детандер, вихревая труба). Расширитель 9, выполненный в виде дросселя или вихревой трубы и имеющий небольшие габариты, может быть расположен внутри конденсатора 10. Расширитель 9, выполненный в виде детандера и имеющий большие габариты, располагается вне конденсатора. Конденсатор 10 имеет сливной патрубок 11 и выходной патрубок 12, соединенный с входным патрубком 5 обратного потока 7 теплообменника 1.

Конденсатор 10 или его часть, расположенная непосредственно в зоне конденсации, может выполняться или из материала, прозрачного для электромагнитного излучения (например, из специальной керамики), возникающего в результате фазового перехода газа в жидкость, или из материала поглощающего такое излучение.

Устройство для поглощения излучения и отвода его в виде тепла охлаждающей жидкостью содержит приемник излучения 13, а также патрубки 14 и 15 для подвода и слива охлаждающей жидкости.

Часть поверхности приемника излучения 13, непосредственно воспринимающая излучение (изображенного на рисунках как >> >> >> ), на всех рисунках выделена жирными линиями и может быть названа зоной поглощения. Чтобы уменьшить площадь зоны поглощения излучения и для концентрирования на ней излучения используется зеркало, которое может быть или плоским 16 (фиг. 2 и 4) или криволинейным 17 (фиг. 3, 4, 5 и 6). В свою очередь, криволинейное зеркало 17 может быть выполнено или параболическим, или сферическим.

Если приемник излучения расположить в фокусе криволинейного зеркала, то его размеры могут быть еще уменьшены (фиг. 4, 5 и 6), а для подачи и отвода охлаждающей жидкости к такому поглотителю целесообразно использовать коаксиальную конструкцию "труба в трубе" - см. поз. ( ⇆ 14, 15) на фиг. 4 и 5.

Из множества сферических секторов можно образовать зеркальную сферу (фиг. 5). В зазорах между секторами будет стекать жидкость и уходить несжиженный газ, а сферическое пространство, образуемое такими секторами, будет являться зоной конденсации. Приемник излучения 13 в такой конструкции будет представлять небольшой полый шарик, охлаждаемый изнутри. В таком приемнике излучения все излучение сферическими зеркалами фокусируется на охлажденной шаровой поверхности (шаровой зоне поглощения), поглощается ею и в виде тепла отводится охлаждающей жидкостью.

Но зеркальная сфера может быть и сплошной (фиг. 6), а для сброса жидкости и несконденсировавшегося газа такая сфера должна иметь отверстия. Кроме того, отражающая поверхность может быть образована стенками конденсатора. Для этого он должен быть изготовлен, например, в виде двух полированных изнутри полусфер. Это упростит конструкцию.

Кроме того, приемник излучения для конструкций по фиг. 4, 5 и 6, может содержать приемное устройство, выполненное в виде прозрачного шара 18 (фиг. 6), составленное из множества оптических призм наподобие сегментов в глазах насекомых, собирающих излучение со всех сторон и концентрирующих его в одном направлении. Поскольку при этом основной приемник излучения 13 может иметь зону поглощения, вынесенную вне конденсатора 10 (фиг. 6), то он может иметь температуру, значительно более высокую, чем тот, который находится в зоне конденсации, т.к. энергия в виде излучения сначала по волноводу 19 выводится из холодной полости конденсатора, а потом поглощается теплой зоной поглощения приемник излучения 13 (фиг. 6). Это позволит отказаться от использования переохлажденных (по сравнению с температурой внутри конденсатора) жидких газов, что в целом упростит конструкцию и удешевит ее эксплуатацию.

Рассматриваемое устройство для реализации предлагаемого способа работает следующим образом. Сжатый газ подается в патрубок 2 теплообменника 1, где формируется как прямой поток 4, после чего охлаждается от обратного потока 7 и через патрубки 3 и 8 поступает в расширитель (дроссель) 9, расположенный внутри конденсатора 10. В процессе истечения из дросселя в свободное пространство конденсатора сжатый газ расширяется, сильно доохлаждается и начинает конденсироваться в мелкие капли, которые под действием силы тяжести устремляются вниз, скапливаются на дне полости конденсатора и сливаются через патрубок 11. Несжиженная часть газа в холодном виде уходит из конденсатора вверх через патрубок 12 и через патрубок 5 поступает в теплообменник 1, где формирует обратный поток 7, который и производит предварительное охлаждение прямого потока 4.

Известно, что в процессе глубокого охлаждения газа происходит его конденсация (превращение в жидкость) и выделяется большое количество скрытой теплоты конденсации.

В природе подобные процессы определяют потепление в приземном слое земной атмосферы перед дождем при конденсации водяного пара в капли дождя, причем конденсация происходит в облаках, а потепление за счет излучения сразу достигает земли.

Выделение скрытой теплоты конденсации резко ограничивает коэффициент ожижения любого известного ожижителя. Например, можно подсчитать, что для известной простейшей дроссельной безмашинной (без движущихся частей) схемы ожижения такой коэффициент ожижения, в зависимости от режима работы, составляет всего лишь 1,8...3%, при сбросе давления метана от 40 до 6 атм между патрубками 2 и 6 при нормальной температуре входящего газа.

А для безмашинной схемы ожижения, в которой вместо дросселя используется вихревая труба, часто называемая турбодросселем (см., например, заявку того же заявителя N 96105863/06(009895) от 26.03.1996 "Способ работы устройства для охлаждения и устройство для охлаждения"), при тех же исходных условиях работы (сброс давления от 40 до 6 атм), в зависимости от режима работы коэффициент ожижения составляет уже 4,7...6,3%.

Машинный ожижитель, например поршневой детандер, в этих же условиях (сброс давления от 40 до 6 атм) способен реализовать коэффициент ожижения в пределах 8...12%.

В предлагаемой конструкции для повышения эффективности ожижения (увеличения коэффициента ожижения) выделяющаяся скрытая энергия (теплота) конденсации в виде электромагнитного излучения сравнительно узкого диапазона частот поглощается охлажденной поверхностью зоны поглощения (выделена жирными линиями) приемника излучения 13. Зона поглощения охлаждается изнутри средой, более холодной, чем ожижаемый газ. Например, при ожижении метана зону поглощения можно охлаждать парами жидкого азота или переохлажденным метаном.

Для повышения эффективности поглощения, изменения потребной температуры охлаждающей жидкости и уменьшения активных поверхностей поглотителя 13 излучение можно концентрировать (фокусировать) на поверхности зоны поглощения с помощью зеркал 16 и 17 (фиг. 2, 3, 4, 5 и 6).

Однако в рассмотренных устройствах с обычными зеркалами в процессе отражения появляющегося излучения от их поверхности и из-за взаимной неорганизованности потоков излучения и конденсирующегося газа происходит частичное поглощение этого излучения в конденсирующихся каплях жидкости. Это является недостатком, т.к. все же происходит некоторый подогрев этих капель.

Уменьшить такое отрицательное явление можно, если взаимно организовать поток излучения относительно потока конденсирующегося газа. Для этого необходимо обеспечить прямоточное движение конденсирующемуся газу, а улавливающие зеркала необходимо установить параллельно такому потоку. В результате конденсирующийся газ, отдав излучение зеркалам, сразу уходит из зоны поглощения и он сам, и его появляющаяся жидкая фаза не поглощают это излучение.

Проще всего такое устройство, выводящее из зоны конденсации излучение, возникающее при конденсации газа, выполнить в виде проточного лазера. Для этого зону конденсации такого устройства необходимо разместить в полости оптического резонатора известного проточного лазера, описанного в [2].

Для этих целей можно применить стандартный резонатор, например, углекислотного лазера (см. [2] рис. 1.1, рис. 3.5, рис. 3.10, рис. 4.1, рис. 4.5, рис. 4.7, и др.), перестроив его на основную частоту излучения, возникающего при конденсации конкретного газа, например метана.

Выходящий из лазерного дросселя сжатый газ расширяется в полости резонатора лазера, охлаждается и начинает конденсироваться, выделяя около 500 кДж/кг лучистой энергии, преобразующейся в лазерном резонаторе в когерентное излучение, которое сразу, в самом начале процесса конденсации, т.е. раньше образования капельной жидкости, отводится системой зеркал. Поэтому возникающие капли не могут поглотить всю лучистую энергию конденсации, большинство которой концентрируется в лазерном пучке и легко выводится обычными оптическими методами.

При этом выводимая мощность излучения будет достаточно велика. Так, например, можно подсчитать, что для безмашинного ожижителя производительностью 100 литров жидкого метана в час, работающего на вихревой трубе (турбодросселе), выводимая мощность излучения должна составить около 40 кВт, но в результате коэффициент ожижения теоретически может быть увеличен в (380 + 500 кДж/кг)/380 кДж/кг = 2, 3 раза, т.е. такое устройство способно реализовать коэффициент ожижения теоретически в пределах 10,5...14,5% и увеличить свою производительность не менее чем до 200 литров жидкого метана в час.

А это означает, что по основной характеристике - коэффициенту ожижения такой "лазерный" турбодроссельный безмашинный ожижитель не уступает детандеру при значительно меньшей стоимости и повышенной надежности (из-за отсутствия движущихся частей). В этом состоит практическая значимость технического результата предложения.

Источник информации
1. Авторское свидетельство N 255949, F 25 J 1/00, 1970.

2. Аблеков В. К. Проточные химические лазеры. - М.: Энергоатомиздат. 1987.

Изобретение относится к способам и устройствам, использующим эффект охлаждения газа при его расширении для ожижения газа. Возникающая в процессе ожижения скрытая теплота конденсации в виде электромагнитного излучения выводится из конденсатора с помощью специальных устройств. В состав ожижителя входят теплообменник, расширитель и конденсатор, в котором находится зона конденсации газа. Возникающее при конденсации газа излучение выводится через прозрачные стенки конденсатора. Излучение может поглощаться поверхностью зоны поглощения приемника излучения охлаждаемой средой более холодной, чем ожижаемый газ. Устройство, выводящее излучение, может содержать одно или несколько зеркал, отражающих излучение, и приемник излучения. Указанное устройство может быть также выполнено в виде проточного лазера. Достигаемый технический результат заключается в повышении эффективности ожижения газа. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ ожижения газа, включающий процесс конденсации газа при его расширении, отличающийся тем, что возникающую в процессе ожижения газа энергию конденсации в виде электромагнитного излучения выводят из зоны конденсации. 2. Ожижитель, содержащий теплообменник, расширитель и конденсатор, в котором находится зона конденсации, отличающийся тем, что конденсатор содержит устройство, выводящее из зоны конденсации излучение, возникающее при конденсации газа. 3. Ожижитель по п.2, отличающийся тем, что устройство, выводящее из зоны конденсации излучение, выполнено в виде стенок конденсатора, изготовленного из материала, прозрачного для излучения, возникающего при конденсации газа. 4. Ожижитель по п.2, отличающийся тем, что излучение поглощается поверхностью зоны поглощения приемника излучения, охлаждаемой средой, более холодной, чем ожижаемый газ. 5. Ожижитель по п.2, отличающийся тем, что устройство, выводящее излучение, содержит одно или несколько зеркал, отражающих излучение, и приемник излучения. 6. Ожижитель по п.2, отличающийся тем, что устройство, выводящее из зоны конденсации излучение, возникающее при конденсации газа, выполнено в виде проточного лазера.