СТИРЛИНГ-СИСТЕМА ДЛЯ ДОЛГОВРЕМЕННОГО ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ Российский патент 2000 года по МПК F25J1/02 F17C13/00 

Изобретение относится к области криогенной техники, криогенных техники, криогенных газовых холодильных машин, работающих по циклу Стирлинга, а также 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, стр. 185-186).

Известно по криогенной технике, что температура кипения азота соответствует температуре -196^oC (77К), а также использование жидкого азота как охлаждающей жидкости (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 43). Однако, в технологиях по производству сжиженного природного газа, жидкий азот ранее не использовался.

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 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, стр. 250). Однако, выброс выпара за пределы емкости для хранения сжиженных газов приводит либо к потери ценного продукта, либо к загрязнению окружающей среды.

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, ранее данные машины не применялись для хранения сжиженного природного газа.

Известно устройство, в котором реализуется повторное сжижение выпаренного природного газа, включающее замкнутый азотный контур, содержащий емкость с жидким азотом и дроссельный клапан, и контур переконденсации выпаров сжиженных газов, содержащий теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа и конденсирующий элемент (Патент US N 4843829, кл. F 17 C 13/00, 1989). Однако в данном техническом решении для переконденсации паров азота не используется высокоэффективная криогенная машина Стирлинга.

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 и снижения экологического загрязнения окружающей среды.

Для достижения этого технического результата система для долговременного хранения сжиженных газов, включающая замкнутый азотный контур, содержащий емкость с жидким азотом и дроссельный клапан, и контур переконденсации выпаров сжиженных газов, содержащий теплоизолированную емкость для хранения сжиженных газов и конденсирующий элемент, снабжена криогенной машиной Стирлинга и обратным клапаном, расположенных в замкнутом азотном контуре, и дополнительными контурами переконденсации выпаров сжиженных газов, каждый из которых состоит из теплоизолированной емкости для хранения сжиженных газов, предохранительного клапана, дроссельного клапана и обратного клапана, а также регулирующих клапанов, расположенных соответственно перед и после теплоизолированной емкости с жидким азотом, при этом контуры переконденсации выпаров сжиженных газов имеют общий для всех конденсирующий элемент, выполненный в виде змеевика, расположенного в емкости с жидким азотом.

Введение в состав системы для долговременного хранения сжиженных газов криогенной машины Стирлинга и обратного клапана в замкнутом азотном контуре, а также дополнительных контуров переконденсации выпаров сжиженных газов со своими теплоизолированными емкостями для хранения сжиженных газов, предохранительными, дроссельными, обратными и регулирующими клапанами, а также общего для всех контуров переконденсации выпаров сжиженных газов конденсирующего элемента, выполненного в виде змеевика, расположенного в емкости с жидким азотом, позволяет получить новое свойство, заключающееся в конденсации выпара сжиженных газов, например, природного газа, с последующим его возвращением в емкости для хранения сжиженного газа, за счет разницы температур кипения при теплообмене с жидким азотом, сжижение затрат мощности криогенной машины, за счет применения более эффективного цикла и эффекта дросселирования газов, а также в возможности использования одной и той же системы для хранения сжиженных газов сразу в нескольких емкостях.

На чертеже изображена система для долговременного хранения сжиженных газов.

В состав системы входит криогенная машина Стирлинга 1, расположенная в замкнутом азотным контуре 2, контур переконденсации выпара сохраняемого сжиженного газа 3. Замкнутый азотный контур 2, проходя через конденсатор (не показан) криогенной машины Стирлинга 1, включает в себя обратный клапан 4, теплоизолированную емкость с жидким азотом 5 и дроссельный клапан 6. Контур переконденсации выпара сохраняемого сжиженного газа 3 состоит из теплоизолированной емкости для хранения сжиженного газа 7, предохранительного клапана 8, дроссельного клапана 9, регулирующих клапанов 10, 11, расположенных соответственно перед и после теплоизолированной емкостью 5, конденсирующего змеевика 12, расположенного в емкости с жидким азотом 5, обратного клапана 13. Для подсоединения других емкостей для хранения сжиженных газов с их контурами переконденсации выпаров предусмотрены подсоединяющие регулирующие клапаны 14, 15.

Система для долговременного хранения сжиженных газов работает следующим образом.

За счет внешних теплопритоков в верхней части емкости 7 образуется выпар сжиженных газов. Данные газы необходимо либо удалять путем выброса в окружающую среду, либо переконденсировать с возвратом в емкость 7. Первый путь приводит к потерям сжиженного газа (дорогостоящего продукта) 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 газообразным азотом с повышенным давлением, а емкость 5 жидким азотом. При необходимости конденсации выпара сжиженных газов, находящегося в емкости 7, включают криогенную машину Стирлинга 1, в результате этого в ее конденсаторе (не показан) сжижается азот, создавая разрежение в замкнутом контуре азота 2. Жидкий азот из конденсатора криогенной машины Стирлинга 1 сливается через обратный клапан 4 в теплоизолированную емкость с жидким азотом 5, тем самым поддерживается необходимый уровень жидкого азота в емкости 5. В результате теплообмена выпар конденсируются, а жидкий азот переходит в газообразную фазу с повышенным давлением. Далее газообразный азот проходит через дроссельный клапан 6, в результате этого азот предварительно охлаждается, и поступает для конденсации в конденсатор холодильной машины Стирлинга 1. К теплоизолированной емкости с жидким азотом 5 может быть подключено поочередно (или параллельно) несколько емкостей для хранения сжиженных газов 7 со своими контурами переконденсации выпара. Каждый из контуров 3 работает следующим образом. При достижении определенного давления срабатывает предохранительный клапан 8, что служит сигналом для включения криогенной машины 1. В результате этого газообразный выпар сжиженных газов высокого давления через предохранительный клапан 8 поступает в дроссельный клапан 9, проходя через который поступает в конденсирующий змеевик 12, расположенный в емкости с жидким азотом 5, предварительно охлаждается, а затем в змеевике 12 за счет теплообмена с жидким азотом, конденсируется и в жидкой фазе через обратный клапан 13 сливается в емкость для хранения сжиженного газа 7. Регулирующие клапаны 10 и 11 отсекают контур 3 от змеевика 12, в случае подключения к нему другой емкости с сжиженным газом со своим контуром переконденсации выпара через регулирующие клапаны 14 и 15. После переконденсации выпара и снижения давления в емкости 7 система отключается до следующего цикла работы.

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

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

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

4. 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.

5. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова, М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 250.

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

7. Патент US N 4843829, кл. F 17 C 13/00, 1989, прототип.

Замкнутый азотный контур системы для долговременного хранения сжиженных газов состоит из криогенной машины Стирлинга, обратного клапана, теплоизолированной емкости с жидким азотом и дроссельного клапана. Каждый из контуров переконденсации выпаров сжиженных газов состоит из теплоизолированной емкости для хранения сжиженного газа, предохранительного клапана, дроссельного клапана, регулирующих клапанов, расположенных соответственно перед и после емкости с жидким азотом, и обратного клапана, расположенного перед емкостью для хранения сжиженного газа. Контуры переконденсации имеют общий конденсирующий змеевик, расположенный в емкости с жидким азотом. Использование изобретения позволит повысить эффективность систем и снизить материальные затраты при хранении и использовании сжиженных газов. 1 ил.

Система для долговременного хранения сжиженных газов, включающая замкнутый азотный контур, содержащий емкость с жидким азотом и дроссельный клапан, и контур переконденсации выпаров сжиженных газов, содержащий теплоизолированную емкость для хранения сжиженных газов и конденсирующий элемент, отличающаяся тем, что снабжена криогенной машиной Стирлинга и обратным клапаном, расположенным в замкнутом азотном контуре, и дополнительными контурами переконденсации выпаров сжиженных газов, каждый из которых состоит из теплоизолированной емкости для хранения сжиженных газов, предохранительного клапана, дроссельного клапана и обратного клапана, а также регулирующих клапанов, расположенных, соответственно, перед и после теплоизолированной емкости с жидким азотом, при этом контуры переконденсации выпаров сжиженных газов имеют общий для всех конденсирующий элемент, выполненный в виде змеевика, расположенного в емкости с жидким азотом.