КОМБИНИРОВАННАЯ КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА КИРИЛЛОВА ДЛЯ ОЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА БОЛЬШОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК F25J1/02 F25B9/14 

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

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

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, 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 сжиженного природного газа.

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.: Энергоатомиздат, 1981, стр. 202).

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 существующие в настоящее время криогенные машины Стирлинга имеют невысокую производительность.

Известно, что для сжижения газов может применяться вихревая труба. (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 50). Однако при применении вихревой трубки коэффициент сжижения не превышает 15% от общего количества подаваемого в трубку газа.

Известна схема холодильной установки с вихревой трубой, включающей в себя источник газа с повышенным давлением (компрессор), вихревую трубу, магистраль теплого потока с дроссельным клапаном, магистраль холодного потока. (Теоретические основы тепло- и хладотехники. Ч.1. Техническая термодинамика. Уч. пособие под ред. проф. Э.И. Гуйко. Л., 1974, - стр. 265). Однако конструктивное исполнение данной установки не предназначено для сжижения природного газа.

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 снижении экологического загрязнения окружающей среды и увеличении коэффициента ожижения газа до 100%.

Для достижения этого технического результата, комбинированная криогенная система для ожижения природного газа большой производительности, включающая в себя источник с повышенным давлением газа (магистральный газопровод), вихревую трубу, магистраль теплого потока и магистраль холодного потока, снабжена теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа, связанной с вихревой трубой через магистрали холодного и теплового потоков, при этом в магистраль теплого потока последовательно введены расширительная турбина с электрогенератором на одном валу, расширительная емкость, криогенная машина Стирлинга, сосуд Дъюара, насос высокого давления, обратный клапан и конденсирующий змеевик, расположенный в газосодержащей части емкости для хранения сжиженных газов, при этом в случае необходимости в состав магистрали теплого потока может быть параллельно включено несколько криогенных машин Стирлинга.

Введение в состав комбинированной криогенной системы для ожижения природного газа большой производительности теплоизоляционной емкости для хранения сжиженного газа, связанной с вихревой трубой через магистрали теплого и холодного потоков, а также оснащение магистрали теплого потока расширительной турбины с электрогенератором, расширительной емкостью, криогенной машиной Стерлинга, сосудом Дъюара, насосом высокого давления и конденсирующим змеевиком, позволяет получить новое свойство, заключающееся в 100% сжижении природного газа за счет применения эффекта вихревой трубы и криогенной машины Стрелинга, снижении затрат энергопотребления системы за счет применения высокоэффективного холодильного цикла и расширения в турбине с получением дополнительной полезной на магистрали теплового потока, а также переконденсация паров газа, образовавшихся в емкости для хранения сжиженного газа за счет внешнего теплопритока, тем самым исключая их выброс в окружающую среду.

На чертеже изображена комбинированная криогенная система для сжижения природного газа большой производительности.

Комбинированная криогенная система для сжижения природного газа большой производительности включает в себя источник с повышенным давлением газа 1 (магистральный газопровод), регулировочный клапан 2, вихревую трубу 3, магистраль теплого потока 4 с расширительной турбиной 5, расположенной на одном валу с электрогенератором 6, расширительной емкостью 7, криогенной машиной Стирлинга 8, сосудом Дъюара 9, насосом высокого давления 10, обратным клапаном 11 и конденсирующим змеевиком 12, магистраль холодного потока 13. Вихревая труба 3 соединена магистралями 4 и 13 с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа 14. Конденсирующий змеевик 12 расположен в газосодержащей части емкости 14.

Комбинированная криогенная система для сжижения природного газа большой производительности работает следующим образом.

Природный газ повышенного давления из магистрального газопровода 1 через регулирующий клапан 2 поступает в вихревую трубу 3, где разделяется на два потока: холодный и теплый. Холодный поток в виде сжиженного газа сливается по магистрали 13 в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа 14. Теплый поток газа по магистрали 4 проходит через расширительную турбину 5, где расширитель, охлаждается и совершает полезную работу с получением электроэнергии в электрогенераторе 6, расположенном на одном валу с турбиной 5, затем из расширительной емкости 7 засасывается в испаритель (не показан) холодильной машины Стирлинга 8, где газообразный природный газ сжижается. Жидкий газ из испарителя холодильной машины Стирлинга 8 сливается в сосуд Дъюара 9 и насосом высокого давления 10 через обратный клапан 11 подается в конденсирующий змеевик 12, проходя через который переконденсирует пары сжиженного газа, образовавшиеся в результате внешних теплопритоков, и сливается в емкость 14. Обратный клапан 11 предотвращает движение рабочей среды в обратном направлении.

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

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

3. Нефтегазовая вертикаль. /Анал. 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.: Энергоатомиздат, 1981, стр. 202.

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

7. Р. Б. Скотт, Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 50.

8. Теоретические основы тепло- и хладотехники. Ч.1. Техническая термодинамика. Уч. пособие под ред. проф. Э.И. Гуйко. Л., 1974, стр. 265.

Изобретение относится к криогенной технике. Использование изобретения позволит повысить эффективность системы и снизить материальные затраты при получении, хранении и использовании сжиженных газов, а также снизить экологическое загрязнение окружающей среды. Природный газ повышенного давления из магистрального газопровода поступает в вихревую трубу, где разделяется на два потока: холодный и теплый. Холодный поток в виде сжиженного газа сливается по магистрали в теплоизолированную емкость. Теплый поток газа предварительно охлаждается, расширяясь в турбине с получением полезной энергии, засасывается в конденсатор криогенной машины Стирлинга, где конденсируется. Жидкий газ сливается в сосуд Дьюара и подается насосом в емкость. Образовавшиеся пары сжиженного газа в газосодержащей части емкости конденсируются за счет теплообмена с жидким газом, протекающим через змеевик. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Комбинированная криогенная система для ожижения природного газа большой производительности, включающая в себя источник с повышенным давлением газа (магистральный газопровод), вихревую трубу, магистраль теплого потока и магистраль холодного потока, отличающаяся тем, что снабжена теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа, связанной с вихревой трубой через магистрали холодного и теплого потоков, при этом в магистраль теплого потока последовательно введены расширительная турбина с электрогенератором на одном валу, расширительная емкость, криогенная машина Стирлинга, сосуд Дьюара, насос высокого давления, обратный клапан и конденсирующий змеевик, расположенный в газосодержащей части емкости для хранения сжиженных газов. 2. Комбинированная криогенная система по п. 1, отличающаяся тем, что в состав магистрали теплого потока параллельно включено несколько криогенных машин Стирлинга.