КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЖИЖЕНИЯ ВОЗДУХА ПО ЦИКЛУ КЛОДА-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 раздачей 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 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 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 сжижения газов. (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186). Однако существующие в настоящее время криогенные машины Стирлинга имеют невысокую производительность.

Известна схема ожижения воздуха по циклу Клода с большой производительностью, включающего в себя линию подачи первичного воздуха, компрессор, очиститель, противоточный теплообменинк, расширительную машину, 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. 21-22). Однако цикл Клода имеет невысокий КПД и коэффициент ожижения, в результате чего ожижается только часть воздуха, сжатого компрессором, а оставшаяся часть газообразного воздуха вновь подается в компрессор.

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

Для достижения этого технического результата криогенная система для ожижения воздуха, включающая в себя линию подачи воздуха, компрессор, очиститель, противоточный теплообменник, расширительную машину, 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 ожиженного воздуха с сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном, 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 расширительной турбины с электрогенератором на одном валу и линии ожиженного воздуха с сосудом Дьюара, насосом высокого давления, и обратным клапаном, при этом линия газообразного воздуха проходит через противоточный теплообменник, а в случае необходимости в состав системы может быть параллельно включено несколько криогенных машин Стирлинга, а также
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 расширительных машин с получением в ней полезной энергии.

На чертеже изображена криогенная система для ожижения воздуха.

Цикл по ожижению воздуха включает в себя следующие процессы: сжатие воздуха в компрессоре, очистка воздуха, предварительное охлаждение в противоточном теплообменнике, разделение воздуха на два потока, расширение первого потока воздуха в расширительной машине с получением полезной энергии, дроссельное расширение второго потока с последующей частичной конденсацией воздуха (эффект Джоуля-Томсона) и сливом в емкость с жидким воздухом, соединение несконденсировавшейся части воздуха второго потока с первым потоком, их подогрев с повышением давления, расширение в расширительной турбине с получением полезной энергии, ожижение в конденсаторе криогенной машины Стирлинга и подача ожиженного 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, расширительная машина, например турбина 5 с электрогенератором 6, дроссельный вентиль 7, емкость с жидким воздухом 8, криогенная холодильная машина Стирлинга 9, замкнутый контур конденсации воздуха, соединяющий емкость с жидким воздухом 9 с конденсатором (не показан) холодильной машины Стирлинга 9. Замкнутый контур конденсации воздуха состоит из линии газообразного воздуха 10 с заборным устройством 11 в газосодержащей части емкости 8, расширительной турбины 12, расположенной на одном валу с электрогенератором 13 и линии ожиженного воздуха 14 с сосудом Дьюара 15, насосом высокого давления 16 и обратным клапаном 17.

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 теплообмена с холодным воздухом и разделяется на два потока. Первый поток воздуха подается в турбину 5, где расширяется с получением полезной энергии в электрогенераторе 6, а второй поток, проходя через дроссельный вентиль 7, частично конденсируется и сливается в емкость 8. Оставшаяся часть несконденсировавшегося холодного воздуха второго потока по линии газообразного воздуха 10 через заборное устройство 11 соединяется с воздухом первого потока и поступает сначала в противоточный теплообменник 4, где охлаждает первичный воздух, при этом сам нагревается с увеличением давления, а затем поступает в расширительную турбину 12, проходя через которую расширяется, охлаждается и поступает в конденсатор (не показан) холодильной машины Стирлинга 9, где происходит его конденсация. Расширение воздуха в турбине 12 позволяет получить электроэнергию в электрогенераторе 13, расположенном на одном валу с турбиной 12. Переход газообразного воздуха в жидкую фазу в конденсаторе холодильной машины 9 создает необходимый перепад давлений в линии 10 перед турбиной 12. Затем ожиженный оставшийся воздух по линии 14 сливается в сосуд Дьюара 15 и насосом высокого давления 16 через обратный клапан 17 подается в емкость 8 в виде жидкости.

Источники информации
1. Чечеткин А. В., Занемонец Н.А. Теплотехника. 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. , Бродянский 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. 21-22, - прототип.

Изобретение относится к криогенной технике 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, очистку воздуха, предварительное охлаждение в теплообменнике, разделение воздуха на два потока, расширение первого потока в расширительной машине с получением полезной энергии в электрогенераторе, дроссельное расширение второго потока с последующей частичной конденсацией, соединение несконденсировавшейся части воздуха второго потока с первым потоком, их подогрев с повышением давления в теплообменнике, расширение в турбине с получением полезной энергии, сжижение в конденсаторе криогенной машины Стирлинга и подачу 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, расширительную машину, 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 и обратным клапаном, при этом линия газообразного воздуха проходит через противоточный теплообменник, причем система снабжена по меньшей мере одной криогенной машиной Стирлинга.