УСТАНОВКА ДЛЯ ДОЛГОВРЕМЕННОГО ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ НА ОСНОВЕ КРИОГЕННОЙ МАШИНЫ, РАБОТАЮЩЕЙ ПО ЦИКЛУ СТИРЛИНГА Российский патент 2000 года по МПК F25J1/02 F17C13/00 

Изобретение относится к области криогенной техники, криогенных газовых холодильных машин с гелием, в качестве рабочего тела, работающих по обратному циклу Стирлинга, 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/. Изд. "Иностр. литература", М., 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 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/. Изд. "Иностр. литература", М., 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 схемное решение транспортной установки с гелиевой холодильной машиной для хранения сжиженного газа, включающую в себя двухступенчатую детандерную холодильную машину с гелием, в качестве рабочего тела (Р.Б.Скотт Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П.Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, с. 206).

Недостатком данного технического решения является то, что в качестве гелиевой холодильной машины используется детандерная машина, имеющая невысокую эффективность в области криогенных температур.

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, 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 хранения природного газа.

Известно устройство для долговременного хранения сжиженных газов, содержащее азотный контур, включающий теплоизолированный сосуд и теплообменник, и контур переконденсации паров сжиженных газов, включающий теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа и проходящий через теплообменник (заявка FR N 2160412, F 17 C 13/00, 1973). Однако в данном техническом решении не предусмотрена эффективная регенерация жидкого азота.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности систем и снижении материальных затрат при хранении и использовании сжиженных газов, например, природного газа, а также, в повышении безопасности эксплуатации данных систем, снижении экологического загрязнения окружающей среды и высокоэффективной регенерации жидкого азота.

Для достижения этого технического результата, установка для долговременного ранения сжиженных газов, содержащая азотный контур, включающий теплоизолированный сосуд и теплообменник, и контур переконденсации паров сжиженных газов, включающий теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа и проходящий через теплообменник, снабжена криогенной машиной Стирлинга в контуре азота, при этом контур азота выполнен замкнутым и включает в себя теплоизолированный сосуд, выполненный в виде сосуда Дьюара, насос высокого давления, конденсирующий змеевик, расположенный в теплообменнике, выполненном в виде теплоизолированной расширительной емкости, и дроссельный клапан, а также дополнительными контурами переконденсации паров сжиженных газов, каждый из которых проходит через теплообменник и снабжен своей теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа, предохранительным и дроссельным клапанами, последовательно расположенными после теплоизолированной емкости для хранения сжиженного газа, регулирующими клапанами, расположенными до и после теплообменника, и обратным клапаном, расположенным перед теплоизолириванной емкостью для хранения сжиженного газа.

Введение в состав установки для долговременного хранения сжиженных газов криогенной машины Стирлинга в замкнутом контуре азота, имеющего конденсирующий змеевик, расположенный в теплообменнике, выполненного в виде теплоизолированной расширительной емкости, и дополнительных контуров переконденсации паров сжиженных газов, каждый из которого проходит через теплообменник, позволяет получить новое свойство, заключающееся в конденсации паров сжиженных газов, например, природного газа, с последующим его возвращением в емкости для хранения сжиженного газа, за счет разницы температур кипения при теплообменнике с жидким азотом, последующая эффективная регенерация жидкого азота, снижение затрат мощности холодильной машины, за счет применения более эффективного цикла и эффекта дросселирования газов, а также в возможности использования одной и той же установки для хранения сжиженного газа в нескольких емкостях.

На чертеже изображена установка для долговременного хранения сжиженных газов.

В состав установки входит криогенная холодильная машина Стирлинга 1, содержащаяся в замкнутом контуре азота 2, контур переконденсации паров сохраняемого сжиженного газа 3. Замкнутый азотный контур 2, проходит через конденсатор (на чертеже не показан) криогенной машины Стирлинга 1 и включает в себя сосуд Дьюара 4, насос высокого давления 5, конденсирующий змеевик 6, расположенный в теплообменнике 7, выполненным в виде теплоизолированной расширительной емкости, и дроссельный клапан 8. Контур переконденсации паров сохраняемого сжиженного газа 3 проходит через теплообменник 7 и состоит из теплоизолированной емкости для хранения сжиженного газа 9, предохранительного клапана 10, дроссельного клапана 11, регулирующих клапанов 12, 13, расположенных, соответственно, перед и после теплообменника 7, обратного клапана 14. Для подсоединения других емкостей для хранения сжиженного газа с их контурами переконденсации паров предусмотрены подсоединяющие регулирующие клапана 15, 16 (на чертеже показан лишь один контур).

Установка для долговременного хранения сжиженных газов работает следующим образом.

За счет внешних теплопритоков в верхней части емкости 9 образуется пары сжиженных газов. Данные газы необходимо либо удалять путем выброса в окружающую среду, либо переконденсировать с возвратом в емкость 9. Первый путь приводит к потерям сжиженного газа и значительному загрязнению окружающей среды, что уже неприемлемо для современных технологий хранения сжиженных газов. Для решения сохранения сжиженного газа вторым путем, замкнутый контур 2 заполняется азотом с повышенным давлением. При необходимости конденсации паров сжиженного газа, находящегося в емкости 9, включают криогенную машину Стирлинга 1, в результате этого в ее конденсаторе (на чертеже не показан) сжижается азот, создавая разряжение в замкнутом контуре азота 2. Жидкий азот из конденсатора криогенной машины Стерлинга 1, сливается в сосуд Дьюара 4 и насосом повышенного давления 5 подается в конденсирующий змеевик 6, расположенный в теплообменнике 7, где за счет разницы температур кипения происходит теплообмен между жидким азотом и парами сжиженного газа, например, природного газа. В результате теплообмена пары конденсируются, а жидкий азот переходит в газообразную фазу с повышенным давлением. Далее, газообразный азот проходит через дроссельный клапан 8, в результате этого азот предварительно охлаждается, и поступает для конденсации в конденсатор криогенной машины Стирлинга 1. К теплообменнику 7, выполненному в виде теплоизолированной расширительной емкости, может быть подключено, поочередно, (или параллельно) несколько емкостей для хранения сжиженного газа со своими контурами переконденсации паров. Каждый из контуров 3 работает следующим образом. При достижении определенного давления срабатывает предохранительный клапан 10, что служит сигналом для включения холодильной машины 1. В результате этого газообразный пар высокого давления через предохранительный клапан 10 поступает в дроссельный клапан 11, проходя через который в расширительную емкость 7, предварительно охлаждается, а затем, в емкости 7, за счет теплообмена с жидким азотом, конденсируется и в жидкой фазе, через обратный клапан 14, сливается в емкость для хранения сжиженного газа 9. Регулирующие клапана 12 и 13 отсекают контур 3 от расширительной емкости 7 в случае подключения к ней другой емкости с сжиженным газом со своим контуром переконденсации пары через регулирующие клапана 15 и 16.

Источники информации
1. Усюкин И. П. Установки, машины и аппараты криогенные техники. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с. 185 - 186.

2. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П.Малкова/. Изд. "Иностр. литература", М., 1961, с. 43.

3. Нефтегазовая вертикаль. /Аналитический журнал/ 9 - 10 (24 - 25), М., 1998, с. 123.

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

5. 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.

6. Р.Б.Скотт Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П.Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, с. 260.

7. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П.Малкова/. Изд-во. "Иностр. литература", М., 1961, с. 35.

8. Заявка FR N 216012, F 17 C 13/00, 1973. - прототип.

В установке для долговременного хранения сжиженных газов замкнутый азотный контур включает криогенную машину Стирлинга, сосуд Дьюара, насос высокого давления, конденсирующий змеевик и дроссельный клапан. Конденсирующий змеевик расположен в теплообменнике, выполненном в виде теплоизолированной расширительной емкости. Контуры переконденсации паров сжиженных газов проходят через теплообменник. Каждый из контуров содержит теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа, предохранительный и дроссельный клапан, регулирующие клапаны, расположенные до и после теплообменника, и обратный клапан. Использование изобретения позволит повысить эффективность систем и снижение материальных затрат при хранении и использовании сжиженных газов. 1 ил.

Установка для долговременного хранения сжиженных газов, содержащая азотный контур, включающий теплоизолированный сосуд и теплообменник, и контур переконденсации паров сжиженных газов, включающий теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа и проходящий через теплообменник, отличающаяся тем, что она снабжена криогенной машиной Стирлинга в контуре азота, при этом контур азота выполнен замкнутым, включающим в себя теплоизолированный сосуд, выполненный в виде сосуда Дьюара, насос высокого давления, конденсирующий змеевик, расположенный в теплообменнике, выполненном в виде теплоизолированной расширительной емкости, и дроссельный клапан, а также дополнительными контурами переконденсации паров сжиженных газов, каждый из которых проходит через теплообменник и снабжен своей теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа, предохранительным и дроссельным клапанами, последовательно расположенными после теплоизолированной емкости для хранения сжиженного газа, регулирующими клапанами, расположенными до и после теплообменника, и обратным клапаном, расположенным перед теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного газа.