КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЖИЖЕНИЯ ВОЗДУХА ПО ЦИКЛУ КИРИЛЛОВА Российский патент 2000 года по МПК F25J1/02 F25J3/04 

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

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 К) 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.)
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 по циклу Кириллова, включающая в себя линию подачи воздуха, компрессор, очиститель, противоточный теплообменник, дроссельный вентиль, емкость с жидким воздухом, снабжена замкнутым контуром конденсации воздуха, включающим криогенную машину Стирлинга с рабочим телом гелием, линию газообразного воздуха с заборным устройством в газосодержащей части емкости с жидким воздухом, дроссельным вентилем, расширительной емкостью и линию ожиженного воздуха с сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном, соединяющих емкость с жидким воздухом с криогенной машиной Стирлинга, при этом линия газообразного воздуха проходит через противоточный теплообменник, а в состав системы может быть параллельно включено несколько криогенных машин Стирлинга.

Введение в состав криогенной системы для ожижения воздуха по циклу Кириллова замкнутого контура конденсации воздуха, криогенной машины Стирлинга с рабочим телом - гелием, линии газообразного и ожиженного воздуха, соединяющих емкость жидкого воздуха с криогенной машиной Стирлинга, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности доожижения оставшейся части газообразного воздуха после его расширения в дроссельном вентиле и повышении общего КПД системы за счет применения высокоэффективной криогенной машины Стирлинга с предварительным дросселированием газообразного воздуха перед ней.

На чертеже изображена криогенная система для ожижения воздуха по циклу Кириллова.

Цикл Кириллова по ожижению воздуха включает в себя следующие процессы: сжатие воздуха в компрессоре, очистку воздуха, предварительное охлаждение в противоточном теплообменнике, дроссельное расширение с последующей конденсацией части воздуха (эффект Джоуля-Томсона), дросселирование оставшейся части газообразного воздуха, ожижение в конденсаторе криогенной машины Стирлинга и подачу жидкого воздуха в емкость для жидкого воздуха.

В состав криогенной системы для ожижения воздуха по циклу Кириллова входят линия подачи воздуха 1, компрессор 2, очиститель воздуха 3, противоточный теплообменник 4, дроссельный вентиль 5, емкость с жидким воздухом 6, замкнутый контур конденсации воздуха, состоящий из криогенной машины Стирлинга 7 с конденсатором (не показан), линия газообразного воздуха 8 с заборным устройством 9 в газосодержащей части емкости 6, дроссельным вентилем 10, расширительной емкостью 11 и линия ожиженного воздуха 12 с сосудом Дьюара 13, насосом высокого давления 14 и обратным клапаном 15.

Криогенная система для ожижения воздуха по циклу Кириллова работает следующим образом.

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, 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, а затем в дроссельный вентиль 10, проходя через который в расширительную емкость 11, охлаждается и поступает в конденсатор (не показан) криогенной машины Стирлинга 7, где происходит его конденсация. Переход газообразного воздуха в жидкую фазу в конденсаторе холодильной машины 7 создает необходимый перепад давлений в линии 8. Затем сжиженный 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.

Воздух сжижают в компрессоре и после очистки от примесей охлаждают в противоточном теплообменнике и расширяют в дроссельном вентиле. Полученный жидкий воздух сливают в емкость. Несконденсировавшийся воздух отводится по линии газообразного воздуха через заборное устройство в противоточный теплообменник, затем через дроссельный вентиль в расширительную емкость и конденсатор холодильной машины Стирлинга, где он конденсируется. Сжиженный воздух сливают в сосуд Дьюара и насосом высокого давления через обратный клапан подают в емкость. Использование изобретения позволит повысить КПД и увеличить коэффициент сжижения до 100%. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. 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 замкнутым контуром конденсации воздуха, включающим криогенную машину Стирлинга с рабочим телом гелием, линию газообразного воздуха с заборным устройством в газосодержащей части емкости с жидким воздухом, дроссельным вентилем, расширительной емкостью, и линию ожиженного воздуха с сосудом Дьюара, насосом высокого давления и обратным клапаном, соединяющую емкость с жидким воздухом с криогенной машиной Стирлинга, при этом линия газообразного воздуха проходит через противоточный теплообменник. 2. Криогенная система для ожижения воздуха по п.1, отличающаяся тем, что в состав системы параллельно включено несколько криогенных машин Стирлинга.