УНИВЕРСАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ГАЗОВ И ИХ ХРАНЕНИЯ НА ОСНОВЕ КРИОГЕННОЙ МАШИНЫ СТИРЛИНГА Российский патент 2000 года по МПК F25J1/02 

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

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, с. 185 - 186).

Известно из криогенной техники, что температура кипения азота соответствует температуре - 196^oC (77 К), а также использование жидкого азота как охлаждающей жидкости (Вопросы глубокого охлаждения. Сб. статей под ред. проф. М. П. Малкова. М.: Изд. "Иностр. литература", 1961, с. 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 N 9-10 (24-25), М. , 1998, с. 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. М.П. Малкова. М.: Изд. "Иностр. литература", 1961, с. 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, с. 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, с. 250). Однако выброс выпара за пределы емкости для хранения сжиженных газов приводит либо к потери ценного продукта, либо к загрязнению окружающей среды.

Известны конструкции сосудов для хранения и перевозки жидких газов с малыми потерями на испарение на основе азотного экрана, включающие в себя сосуд с жидким газом, размещенным в сосуде с жидким азотом, и предохранительным клапаном для выпуска паров азота (Р.Б. Скотт Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, с. 257-258). Однако в данных технических решениях не рассматриваются вопросы сохранения азота, и следовательно, эффективность азотного экрана будет постоянно снижаться с испарением жидкого азота и выбросом его паров в окружающую среду.

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

Ближайшим аналогом заявляемого устройства является установка для сжижения газов и их хранения, содержащая линию сжижения газа, включающую теплообменник, дроссельный клапан и теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа, а также замкнутый контур сжижения газа, проходящий через теплообменник и имеющий свой дроссельный клапан (патент US 3914949, F 25 J 1/00, 1975).

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 снижения экологического загрязнения окружающей среды.

Для достижения этого технического результата в универсальной установке для сжижения газов и их хранения, содержащей линию сжижения газа, включающую дроссельный клапан, теплообменник и теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа, а также замкнутый контур сжижения газа, проходящий через теплообменник и имеющий свой дроссельный клапан, линия сжижения газа снабжена магистральным трубопроводом и регулирующим клапаном, установленным перед дроссельным клапаном и соединенным с магистральным трубопроводом, при этом в качестве рабочего тела замкнутого контура использован азот, а сам контур снабжен последовательно расположенными криогенной машиной Стирлинга, установленной за дроссельным клапаном замкнутого контура, сосудом Дьюара, насосом высокого давления, своим регулирующим клапаном, конденсирующим змеевиком, размещенным в теплообменнике, выполненным теплоизолированным, и обратным клапаном, причем теплоизолированная емкость снабжена азотным экраном с контуром переконденсации выпара азота экрана, состоящим из линии с предохранительным и своим первым обратным клапанами, присоединенной к дросселю замкнутого контура, и линией со вторым обратным и своим регулирующим клапанами, присоединенной к выходу насоса высокого давления.

Введение в состав универсальной установки для сжижения газов и их хранения на основе криогенной машины Стирлинга замкнутого контура азота с конденсирующим змеевиком, расположенным в теплоизолированной расширительной емкости, контура переконденсации выпара азотного экрана, проходящих через конденсатор криогенной машины Стирлинга и линии сжижения газа, соединяющей магистральный газопровод с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа с азотным экраном, проходящей через теплоизолированную расширительную емкость 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 применения азотного экрана с возможностью переконденсации выпара азотного экрана в криогенной машине Стирлинга, снижении затрат мощности холодильной машины, за счет применения более эффективного цикла и эффекта дросселирования газов на различных участках универсальной установки.

На чертеже изображена универсальная установка для сжижения газов и их хранения на основе криогенной машины Стирлинга.

В состав установки входит криогенная холодильная машина Стирлинга 1, замкнутый азотный контур сжижения газа 2, контур переконденсации выпара азотного экрана 3, линия сжижения газа 4. Замкнутый азотный контур сжижения газа 2, проходит через конденсатор (на чертеже не показан) холодильной машины Стирлинга 1 и включает в себя сосуд Дьюара 5, насос высокого давления 6, регулирующий клапан 7, конденсирующий змеевик 8, расположенный в теплоизолированной расширительной емкости 9, обратный клапан 10, дроссельный клапан 11. Контур переконденсации выпара азотного экрана 3 проходит через конденсатор криогенной машины Стирлинга 1 и включает в себя сосуд Дьюара 5, насос высокого давления 6, регулирующий клапан 12, обратный клапан 13, теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа 14 с азотным экраном 15, предохранительный клапан 16, второй обратный клапан 17 и дроссельный клапан 11. Линия сжижения газа 4 соединяет магистральный газопровод 18 с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа 14 с азотным экраном 15, проходит через теплоизолированную расширительную емкость 9 и включает в себя регулирующий клапан 19 и дроссельный клапан 20.

Универсальная установка для сжижения газов и их хранения на основе криогенной машины Стирлинга работает следующим образом.

Универсальная установка работает в двух режимах: в режиме сжижения природного газа и в режиме переконденсации выпара азотного экрана.

В режиме сжижения газа, природный газ повышенного давления из магистрального газопровода 18 по линии сжижения 4 поступает в теплоизолированную расширительную емкость 9 для сжижения, процесс которого происходит за счет теплообмена с жидким азотом, проходящим через конденсирующий змеевик 8. Для регулирования подачи природного газа предусмотрен регулирующий клапан 19. Проходя через дроссельный клапан 20 в расширительную емкость 9, природный газ предварительно охлаждается, а затем, поступая в емкость 9, сжижается и сливается в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа 14. Для исключения внешних теплопритоков емкость 14 имеет азотный экран 15 с жидким азотом. Для своевременной подачи жидкого азота и обеспечения сжижения природного газа в емкости 9, предусмотрен замкнутый азотный контур сжижения газа 2, замкнутый контур 2 заполняется азотом с повышенным давлением. При работе в режиме сжижения включают холодильную машину Стирлинга 1, в результате этого в ее конденсаторе (на чертеже не показан) сжимается азот, создавая разряжение в замкнутом контуре азота 2. Жидкий азот из конденсатора холодильной машины Стирлинга 1 сливается в сосуд Дьюара 5 и насосом повышенного давления 6 через регулирующий клапан 7 подается в конденсирующий змеевик 8, расположенный в теплоизолированной емкости 9, где за счет разницы температур кипения происходит теплообмен между жидким азотом и газообразным природным газом. В результате теплообмена природный газ конденсируется, а жидкий азот переходит в газообразную фазу с повышенным давлением. Далее, газообразный азот проходит через обратный клапан 10 и дроссельный клапан 11, в результате этого азот предварительно охлаждается, и поступает для конденсации в конденсатор холодильной машины Стирлинга 1. В данном режиме работает только замкнутый азотный контур 2 и линия 4. Контур переконденсации отключается от работы за счет закрытия регулирующего клапана 12 и обратного клапана 17.

За счет внешних теплопритоков в азотном экране 15 образуется выпар жидкого азота. Данные газы обычно удаляют путем выброса в окружающую среду, что приводит к потерям азота азотного экрана и значительному загрязнению окружающей среды, что уже неприемлемо для современных технологий хранения сжиженных газов. Для сохранения азота азотного экрана 15, универсальная установка может работать во втором режиме, режиме переконденсации выпара азотного экрана. Для данной цели предусмотрен контур переконденсации 3. При достижении определенного давления срабатывает предохранительный клапан 16, что служит сигналом для закрытия клапана 7 контура 2, клапана 19 линии сжижения газа 4 и открытия клапана 12. В результате этого по контуру переконденсации 3 газообразный азот (выпар) высокого давления через предохранительный клапан 16 и обратный клапан 17 поступает в дроссельный клапан 11, расположенный перед машиной Стирлинга 1, проходя через который предварительно охлаждается, а затем поступает в конденсатор машины 1, где происходит переконденсация выпара. Переход паров азота в жидкостную фазу в установке 1 создает необходимый перепад давлений в контуре 3. Затем сжиженный азот через сосуд Дьюара 5, насос высокого давления 6, регулирующий клапан 12, обратный клапан 13 поступает в азотный экран 15 емкости 14. Обратный клапан 13 предотвращает движение рабочей среды в обратном направлении. После переконденсации выпара установка вновь переходит в первый режим работы, режим сжижения природного газа.

В универсальной установке для сжижения газов и их хранения линия сжижения газа состоит из магистрального трубопровода, регулирующего и дроссельного клапанов, теплоизолированного теплообменника, и теплоизолированной емкости для хранения сжиженного газа с азотным экраном. Замкнутый контур сжижения азота проходит через конденсатор криогенной машины Стирлинга и содержит сосуд Дьюара, насос высокого давления, регулирующий клапан, конденсирующий змеевик, обратный и дроссельный клапаны. Конденсирующий змеевик размещен в теплоизолированном теплообменнике. Контур переконденсации выпара азотного экрана состоит из линии с предохранительным и своим первым обратным клапанами, присоединенной к дросселю замкнутого контура, и линии с вторым обратным и своим регулирующим клапанами, присоединенной к выходу насоса высокого давления. Использование изобретения позволит повысить эффективность систем и снизить материальные затраты. 1 ил.

Универсальная установка для сжижения газов и их хранения, содержащая линию сжижения газа, включающую дроссельный клапан, теплообменник и теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа, а также замкнутый контур сжижения газа, проходящий через теплообменник и имеющий свой дроссельный клапан, отличающаяся тем, что линия сжижения газа снабжена магистральным трубопроводом и регулирующим клапаном, установленным перед дроссельным клапаном и соединенным с магистральным трубопроводом, при этом в качестве рабочего тела замкнутого контура использован азот, а сам контур снабжен последовательно расположенными криогенной машиной Стирлинга, установленной за дроссельным клапаном замкнутого контура, сосудом Дьюара, насосом высокого давления, своим регулирующим клапаном, конденсирующим змеевиком, размещенным в теплообменнике, выполненным теплоизолированным, и обратным клапаном, причем теплоизолированная емкость снабжена азотным экраном с контуром переконденсации выпара азота экрана, состоящим из линии с предохранительным и своим первым обратным клапанами, присоединенной к дросселю замкнутого контура, и линией со вторым обратным и своим регулирующим клапанами, присоединенной к выходу насоса высокого давления.