КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЖИЖЕНИЯ ВОЗДУХА ПО МОДИФИЦИРОВАННОМУ ЦИКЛУ КИРИЛЛОВА Российский патент 2000 года по МПК F25J1/02 F25B9/14 

Изобретение относится к области криогенной техники по ожижению воздуха и криогенных холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга.

Известны технические решения газовых турбин, в которых энергия сжатого газа при расширении преобразуется в работу одновременно с понижением температуры газа (Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника. Учеб. для хим. - технол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1986, - стр. 307).

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

Известно устройство сосуда Дьюра 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 в области криогенных температур (60-160 K) наиболее высокоэффективным циклом является обратный цикл Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для окжижения газов. (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186).

Известно устройство газовой холодильной машины "Филипса", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для ожижения воздуха (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература". М., 1961, стр. 35).

Однако существующие в настоящее время криогенные машины Стирлинга имеют невысокую производительность.

Известно устройство воздушного ожижителя по циклу Гэмпсона с большой производительностью, включающего в себя линию подачи воздуха, компрессор, очиститель, противоточный теплообменник, дроссельный вентиль, емкость с жидким воздухом, линию подачи несконденсировавшегося воздуха, соединяющую емкость с жидким воздухом и компрессор. (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 19). Однако, цикл Гэмпсона имеет невысокий КПД и коэффициент ожижения, в результате чего ожижается только часть воздуха, сжатого компрессором, а оставшаяся часть газообразного воздуха вновь подается в компрессор, что также приводит в снижению эффективности установки в целом.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД системы по ожижению воздуха и увеличение коэффициента ожижения до 100%.

Для достижения этого технического результата криогенная система для ожижения воздуха, включающая в себя линию подачи воздуха, компрессор, очиститель, противоточный теплообменник, дроссельный вентиль, емкость с жидким воздухом, снабжена криогенной машиной Стирлинга с рабочим телом - гелием и замкнутым контуром конденсации воздуха, соединяющим емкость жидкого воздуха с конденсатором холодильной машины и состоящим из линии газообразного воздуха с заборным устройством в газосодержащей части емкости, расширительной турбиной с электрогенератором на одном валу и линии сжиженного воздуха с сосудом Дьюара, насосом высокого давления, обратным клапаном и конденсирующим змеевиком, расположенным в газосодержащей части емкости, при этом линия газообразного воздуха проходит через противоточный теплообменник, а в случае необходимости в состав системы может быть параллельно включено несколько криогенных машин Стирлинга.

Введение в состав криогенной системы для ожижения воздуха криогенной машины Стирлинга с рабочим телом - гелием и замкнутого контура конденсации воздуха с расширительной турбиной, соединяющим емкость жидкого воздуха с конденсатором холодильной машины, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности доожижения оставшейся части газообразного воздуха, после его расширения в дроссельном вентиле, в конденсаторе высокоэффективной криогенной машины Стирлинга, а также снижение энергопотребления системы в целом за счет использования расширительной турбины с получением в ней полезной энергии.

На чертеже изображена криогенная система для сжижения воздуха.

Криогенная система по ожижению воздуха в себя следующие процессы: сжатие воздуха в компрессоре, очистка воздуха, предварительное охлаждение в противоточном теплообменнике, дроссельное расширение с последующей конденсацией части воздуха (эффект Джоуля-Томсона), термостатирование емкости с частичной доконденсацией дросселированного воздуха за счет теплообмена со сжиженным оставшимся воздухом, подогрев оставшейся части газообразного воздуха с повышением давления, расширение в расширительной турбине с получением полезной энергии, ожижение в конденсаторе криогенной машины Стирлинга и подача ожиженного оставшегося воздуха в емкость для жидкого воздуха.

В состав криогенной системы для ожижения воздуха входит линия подачи воздуха 1, компрессор 2, очиститель воздуха 3, противоточный теплообменник 4, дроссельный вентиль 5, емкость с жидким воздухом 6, криогенная холодильная машина Стирлинга 7, замкнутый контур конденсации воздуха, соединяющий емкость с жидким воздухом 6 с конденсатором (на рис. не показан) холодильной машины Стирлинга 7. Замкнутый контур конденсации воздуха состоит из линии газообразного воздуха 8 с заборным устройством 9 в газосодержащей части емкости 6, расширительной турбины 10, расположенной на одном валу с электрогенератором 11 и линии ожиженного воздуха 12 с сосудом Дьюара 13, насосом высокого давления 14, обратным клапаном 15 и конденсирующим змеевиком 16.

Криогенная система для ожижения воздуха работает следующим образом.

Первичный воздух по линии подачи 1 поступает в компрессор 2, где сжимается до высокого давления и поступает в очиститель 3 для очистки от примесей. Затем предварительно охлаждается в противоточном теплообменнике 4 за счет теплообменна с холодным воздухом и, проходя через дроссельный вентиль 5, частично конденсируется. Жидкий воздух сливается в емкость 6. Оставшаяся часть несконденсировавшегося холодного воздуха по линии газообразного воздуха 8 через заборное устройство 9 поступает сначала в противоточный теплообменник 4, где охлаждает первичный воздух, при этом сам нагревается с увеличением давления, а затем поступает в расширительную турбину 10, проходя через которую, расширяется, охлаждается и поступает в конденсатор (не показан) холодильной машины Стирлинга 7, где происходит его конденсация. Расширение воздуха в турбине 10 позволяет получить электроэнергию в электрогенераторе 11, расположенном на одном валу с турбиной 10. Переход газообразного воздуха в жидкую фазу в конденсаторе холодильной машины 7 создает необходимый перепад давлений в линии 8 перед турбиной 10. Затем ожиженный оставшийся воздух по линии 12 сливается в сосуд Дьюара 13 и насосом высокого давления 14 через обратный клапан 15 подается в емкость 6 в виде жидкости. Проходя по конденсирующему змеевику 16, жидкий остаточный воздух термостатирует емкость 6 и увеличивает процент сконденсировавшегося первичного воздуха.

Источники информации
1. Чечеткин А, В. , Занемонец Н.А. Теплотехниа: Учеб. для хим- технол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1986, - стр. 307.

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

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

4. Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186.

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

6. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 19 - прототип.

Изобретение относится к области криогенной техники по ожижению воздуха. Использование изобретения позволит повысить КПД системы по ожижению воздуха. Цикл по ожижению воздуха включает в себя следующие процессы: сжатие первичного воздуха в компрессоре, очистка воздуха, предварительное охлаждение в теплообменнике, дроссельное расширение с последующей конденсацией части воздуха, термостатирование емкости с частичной доконденсацией дросселированного воздуха за счет теплообмена со сжиженным воздухом в змеевике, подогрев оставшейся части газообразного воздуха с повышением давления в теплообменнике, расширение в турбине с получением полезной энергии, ожижение в конденсаторе криогенной машины Стирлинга и подача сжиженного воздуха через сосуд Дьюара в емкость для жидкого воздуха с помощью насоса высокого давления. Переход газообразного воздуха в жидкую фазу в испарителе холодильной машины создает необходимый перепад давлений в линии газообразного воздуха. 1 ил.

Криогенная система для ожижения воздуха, включающая в себя линию подачи воздуха, компрессор, очиститель, противоточный теплообменник, дроссельный вентиль, емкость с жидким воздухом, отличающаяся тем, что снабжена криогенной машиной Стирлинга с рабочим телом-гелием и замкнутым контуром конденсации воздуха, соединяющим емкость жидкого воздуха с конденсатором холодильной машины и состоящим из линии газообразного воздуха с заборным устройством в газосодержащей части емкости, расширительной турбиной с электрогенератором на одном валу и линии ожиженного воздуха с сосудом Дьюара, насосом высокого давления, обратным клапаном и конденсирующим змеевиком, расположенным в газосодержащей части емкости, при этом линия газообразного воздуха проходит через противоточный теплообменник, причем система снабжена по меньшей мере одной криогенной машиной Стирлинга.