КОМБИНИРОВАННАЯ СТИРЛИНГ-СИСТЕМА ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ГАЗОВ И ИХ ДОЛГОВРЕМЕННОГО ХРАНЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F25J1/02 

Изобретение относится к области криогенной техники, получения и хранения сжиженных газов, например природного газа, а также криогенных газовых холодильных машин, работающих по циклу Стирлинга.

Известно, что для сжижения газов используются различные циклы, например с дросселированием или детандерные, однако в области криогенных температур (60-160 К) наиболее высокоэффективным циклом является цикл с холодильной машиной, работающей по циклу Стирлинга.Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186).

Известно из криогенной техники, что температура кипения азота соответствует температуре - 196^oC (77^oК), а также использование жидкого азота как, охлаждающей жидкости (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 43). Однако в технологиях по производству сжиженного природного газа жидкий азот ранее не использовался.

Известно, что сжиженный природный газ рассматривается как перспективное жидкое топливо, а температура кипения сжиженных природных газов соответствует температуре -162^oC (113 К) (Нефтегазовая вертикаль. /Анал. журнал 9-10 (24-25), М., 1998, стр. 123/). Однако существует проблема высокоэффективного получения и хранения сжиженного природного газа как криогенной жидкости.

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителям с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. П.М. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 287-288).

Известно устройство сосуда Дьюара для жидкого азота с вакуумно-порошковой изоляцией. (Соколов Е. Я. , Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202).

Известно, что ввиду внешних теплопритоков в емкостях с криогенными жидкостями образуется выпар (пары сжиженных газов), количество которого зависит от многих факторов: формы емкостей; типов теплоизоляции и т.д. (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер. , 1962, стр. 250). Однако выброс выпара за пределы емкости для хранения сжиженных газов приводит либо к потери ценного продукта, либо к загрязнению окружающей среды.

Известно устройство газовой холодильной машины "Филипса", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для сжижения воздуха. (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М. , 1961, стр. 35). Однако использование жидкого воздуха в различных технологиях требует повышенных мер взрыво- и пожаробезопасности, а также ранее данные машины не применялись в технологиях для сжижения и хранения сжиженного природного газа.

Известно устройство для сжижения и долговременного хранения газов, содержащее линию сжижения газа, соединяющую магистральный газопровод с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа и включающую в себя регулирующий клапан и дроссельный клапан (Патент GB N 1268688, F 25 J 1/02, 1972). Однако в данном устройстве не используется высокоэффективная машина Стирлинга.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности систем и снижении материальных затрат при получении, хранении и использовании сжиженных газов, например природного газа, а также в повышении безопасности эксплуатации данных систем и снижении экологического загрязнения окружающей среды.

Для достижения этого технического результата комбинированная система для сжижения газов и их долговременного хранения, содержащая линию сжижения газа, соединяющую магистральный газопровод с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа и включающую регулирующий клапан и дроссельный клапан, "снабжена криогенной газовой машиной Стирлинга, замкнутым азотным контуром, проходящим через конденсатор криогенной машины Стирлинга и включающим в себя сосуд Дьюара, насос высокого давления, обратный клапан, промежуточную теплоизолированную емкость с жидким азотом и дроссельный клапан, а также контуром переконденсации выпара сжиженного газа с дроссельным клапаном и конденсирующим змеевиком, расположенным в промежуточной емкости с жидким азотом, а линия сжижения газа снабжена конденсирующим змеевиком, расположенным в промежуточной емкости с жидким азотом и своим обратным клапаном.

Введение в состав комбинированной системы для сжижения газов и их долговременного хранения криогенной газовой машины Стирлинга, замкнутого азотного контура, с промежуточной теплоизолированной емкостью для жидкого азота и проходящего через конденсатор криогенной машины Стирлинга, конденсирующего змеевика в линии сжижения газа, расположенного в промежуточной емкости с жидким азотом, а также контура переконденсации выпара сжиженного газа с конденсирующим змеевиком в промежуточной емкости с жидким азотом, позволяет получить новое свойство, заключающееся в высокоэффективном сжижении природного газа за счет теплообмена с жидким азотом, получаемым в криогенной машине Стирлинга, в высокоэффективном хранении сжиженного газа за счет переконденсации выпарa сжиженного газа, в снижении затрат мощности холодильной машины за счет применения более эффективного цикла и эффекта дросселирования газов на различных участках комбинированной системы, а также в повышении безопасности эксплуатации данных систем и снижения экологического загрязнения окружающей среды.

На чертеже изображена комбинированная система для сжижения газов и их долговременного хранения.

В состав комбинированной системы входит криогенная холодильная машина Стирлинга 1, замкнутый азотный контур 2, линия сжижения газа 3, контур переконденсации выпара сжиженного газа 4. Замкнутый азотный контур 2 проходит через конденсатор (не показан) холодильной машины Стирлинга 1 и включает в себя сосуд Дьюара 5, насос высокого давления 6, обратный клапан 7, промежуточную теплоизолированную емкость с жидким азотом 8, дроссельный клапан 9. Линия сжижения газа 3 соединяет магистральный газопровод 10 с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа 11 и включает в себя регулирующий клапан 12, дроссельный клапан 13, конденсирующий змеевик 14, расположенный в промежуточной емкости с жидким азотом 8. Контур переконденсации выпара сжиженного газа 4 включает в себя дроссельный клапан 15 и конденсирующий змеевик 16, расположенный в промежуточной емкости 8.

Комбинированная система для сжижения газов и их долговременного хранения работает следующим образом.

Природный газ повышенного давления из магистрального газопровода 10 по линии сжижения газа 3 поступает в конденсирующий змеевик 14, расположенный в промежуточной теплоизолированной емкости с жидким азотом 8, для сжижения, процесс которого происходит за счет теплообмена с жидким азотом. Предварительно природный газ охлаждается при прохождении через дроссельный клапан 13. Из змеевика 14 сжиженный природный газ сливается в теплоизолированную емкость 11 для хранения. Для регулирования подачи природного газа из газопровода 10 предусмотрен регулирующий клапан 12. Для своевременной подачи жидкого азота в промежуточную теплоизолированную емкость для хранения жидкого азота 8 и обеспечения снижения природного газа предусмотрен замкнутый азотный контур 2. При теплообмене с природным газом в емкости 8 жидкий азот испаряется, переходит в газообразное состояние с повышением давления. Из верхней части емкости 8 газообразный азот, проходя через дроссельный клапан 9, охлаждается, и поступает в конденсатор (не показан) холодильной машины Стирлинга 1, где газообразный азот сжижается. Жидкий азот из конденсатора холодильной машины Стирлинга 1 самотеком сливается в сосуд Дьюара 5 и насосом повышенного давления 6 через обратный клапан 7 подается в промежуточную емкость 8. Обратный клапан 7 предотвращает движение рабочей среды в обратном направлении.

За счет внешних теплопритоков в теплоизолированной емкости 11 образуется выпар сжиженного газа. Данные газы обычно удаляют путем выброса в окружающую среду, что приводит к потерям ценного природного продукта и значительному загрязнению окружающей среды, что уже неприемлемо для современных технологий хранения сжиженных газов. Для сохранения выпара сжиженного газа предусмотрен контур переконденсации 4. Выпар сжиженного газа повышенного давления поступает в дроссельный клапан 15, проходя через который предварительно охлаждается, а затем, поступает в конденсирующий змеевик 16, расположенный в промежуточной емкости 8, где происходит переконденсация выпара. Переход паров газа в жидкую фазу в змеевике 16 создает необходимый перепад давлений в контуре 4. Затем сжиженный выпар сливается в емкость 11.

Источники информации
1. Усюкин И. П. Установки, машины и аппараты криогенное техники. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186.

2. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.:"Иностр. литература". М., 1961, стр. 43.

3. Нефтегазовая вертикаль. /Аналитический журнал/ 9-10 (24-25). М., 1998, стр. 123.

4. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 287-288.

5. Соколов Е. Я. , Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд. - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202.

6. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 250.

7. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П.Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 35.

8. Патент GB N 1268688, F 25 J 1/02, 1972. - прототип.

В комбинированной системе для сжижения газов и их долговременного хранения линия сжижения газа соединяет магистральный трубопровод с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа и включает регулирующий и дроссельный клапаны. Замкнутый азотный контур проходит через конденсатор криогенной газовой машины Стирлинга и включает сосуд Дьюара, насос высокого давления, обратный клапан, промежуточную теплоизолированную емкость с жидким азотом и дроссельный клапан. Контур переконденсации выпара сжиженного газа снабжен дроссельным клапаном и конденсирующим змеевиком, расположенным в промежуточной емкости с жидким азотом. Конденсирующий змеевик линии сжижения газа расположен в промежуточной емкости с жидким азотом. Использование изобретения позволит повысить эффективность систем, снизить материальные затраты и повысить безопасность при их эксплуатации. 1 ил.

Комбинированная система для сжижения газов и их долговременного хранения, содержащая линию сжижения газа, соединяющую магистральный газопровод с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа и включающую регулирующий клапан и дроссельный клапан, отличающаяся тем, что снабжена криогенной газовой машиной Стирлинга, замкнутым азотным контуром, проходящим через конденсатор криогенной машины Стирлинга и включающим в себя сосуд Дьюара, насос высокого давления, обратный клапан, промежуточную теплоизолированную емкость с жидким азотом и дроссельный клапан, а также контуром переконденсации выпара сжиженного газа с дроссельным клапаном и конденсирующим змеевиком, расположенным в промежуточной емкости с жидким азотом, а линия сжижения газа снабжена конденсирующим змеевиком, расположенным в промежуточной емкости с жидким азотом, и своим обратным клапаном.