ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА ДЛИТЕЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ ПО СХЕМЕ КИРИЛЛОВА Российский патент 2001 года по МПК F25J1/02 F17C13/00 

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

Известно, что из-за 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. М.П.Малкова, Москва, Иностранная литература, 1962, с. 250). Однако выброс пара за пределы емкости для хранения сжиженных газов приводит либо к потере ценного продукта, либо к загрязнению окружающей среды.

Известно, что сжиженный природный газ рассматривается как перспективное жидкое топливо, а температура кипения сжиженных природных газов соответствует температуре -162^oC (113 K). Однако существует проблема высокоэффективного хранения сжиженного природного газа как криогенной жидкости.

Известно, что для сжижения газов используются различные циклы, например с дросселированием или детандерные, однако в области криогенных температура (60-160 K), наиболее эффективной системой сжижения является установка с криогенной холодильной машиной Стирлинга. Эффективность холодильных 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, Москва, Легкая и пищевая промышленность, 1982, с. 185-186).

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителям с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. Сборник статей под ред. М.П.Малкова, Москва, Иностранная 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, 2-е издание, Москва, Энергоиздат, 1981, с. 202).

Известно устройство холодильной машины Стирлинга, содержащей поршневую группу, теплообменник нагрузки (конденсатор), регенератор, холодильник (Патент РФ N 2088776, кл. F 02 C 6/00, 1997).

Известно устройство газовой холодильной машины "Филипс", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для ожижения воздуха (Вопросы глубокого охлаждения. Сборник статей под ред. М.П.Малкова, Москва, Иностранная литература, 1962, с. 35). Однако ранее данные машины не применялись в технологиях для хранения сжиженного природного газа.

Известна принципиальная схема газотурбинной установки с промежуточным подогревом газа, включающая источник высокого давления газа (например, компрессор), камеру сгорания высокого давления, расширительную турбину высокого давления, камеру сгорания низкого давления, расширительную турбину низкого давления и потребитель мощности, установленные на одном валу. (Стационарные газотурбинные установки. Под ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина, Ленинград, Машиностроение, 1989, с. 38-39). Однако схема комбинированной установки на основе турбин высокого и низкого давления с промежуточным подогревом для сжижения газов ранее не применялась.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является устройство для предотвращения потерь азота в танкере, перевозящем сжиженный природный газ, включающее расширительную турбину высокого давления и потребитель мощности, установленные на одном валу, емкость для хранения сжиженного газа, линию газообразного выпара и линию сжиженного выпара с насосом высокого давления (см. патент US 4017283, кл. F 25 J 1/02, 1977).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности систем и снижении материальных затрат при хранении сжиженных газов, например природного газа, а также в повышении безопасности эксплуатации данных систем, снижении экологического загрязнения окружающей среды и получении дополнительной электрической энергии.

Для достижения этого технического результата высокоэффективная система для длительного хранения сжиженных газов, включающая емкость для хранения сжиженного газа, расширительную турбину высокого давления и потребитель мощности, установленные на одном валу, линию газообразного выпара и линию сжиженного выпара с насосом высокого давления, снабжена в линии газообразного выпара расширительной турбиной низкого давления, установленной на одном валу с турбиной высокого давления, запорно-регулирующей арматурой, ресивером, двумя теплообменниками - нагревателями, расположенными перед турбинами, расширительной емкостью и криогенной машиной Стирлинга, а в линии сжиженного выпара снабжена сосудом Дьюара и обратным клапаном, установленным после насоса высокого давления, при этом линия сжиженного выпара идет от криогенной машины Стирлинга к емкости для хранения сжиженных газов, а также контурам охлаждения машины Стирлинга, проходящим через теплообменники-нагреватели и имеющем в своем составе охладитель, связанный с окружающей средой, и насос, при этом емкость для хранения газа выполнена из высокопрочной стали.

Введение в состав высокоэффективной системы длительного хранения сжиженных газов емкости для хранения сжиженных газов в качестве источника газа высокого давления, линии выпара, состоящей из ресивера, турбин высокого и низкого давления, теплообменников-нагревателей, расположенных перед ними, расширительной емкости, криогенной холодильной машины Стирлинга с контуром охлаждения, проходящим через теплообменники-нагреватели, а также линии сжиженного газа, состоящей из сосуда Дьюара, насоса высокого давления и обратного клапана, идущей от криогенной машины Стирлинга к емкости для хранения сжиженного газа, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности переконденсации выпара сжиженных газов в конденсаторе холодильной машины с последующим его сливом в емкость для хранения сжиженных газов, получении полезной энергии при расширении газа в турбинах, а также в повышении холодильного коэффициента криогенной машины Стирлинга за счет снижения температуры охлаждения ниже температуры окружающей среды.

На чертеже изображена высокоэффективная система длительного хранения сжиженных газов.

В состав высокоэффективной системы длительного хранения сжиженных газов входит емкость 1 для хранения сжиженных газов, линия 2 газообразного выпара, включающая в себя предохранительный клапан 3, ресивер 4, запорный клапан 5, первый теплообменник-подогреватель 6, турбину 7 высокого давления, электрогенератор 8, второй теплообменник-нагреватель 9, турбину 10 низкого давления, расширительную емкость 11, криогенную холодильную машину Стирлинга 12, состоящую из конденсатора 13 и холодильника 14, линию 15 сжиженного выпара, включающую в себя сосуд Дьюара 16, насос 17 высокого давления и обратный клапан 18. Через холодильник 14 криогенной машины Стирлинга 12 проходит контур 19 охлаждения, содержащий охладитель 20, связанный с окружающей средой, и насос 21, при этом контур 10 проходит также через первый теплообменник-нагреватель 6 и второй теплообменник-нагреватель 9.

Высокоэффективная система длительного хранения сжиженных газов работает следующим образом.

За счет внешних теплопритоков в верхней части емкости 1 образуется выпар сжиженных газов, причем емкость выполнена из высокопрочной стали, рассчитанной на высокое давление. При достижении высокого давления срабатывает предохранительный клапан 3, и газ по линии газообразного выпара 2 поступает в ресивер 4, данный процесс идет до тех пор, пока давление в ресивере 4 не станет равным наивысшему значению давления выпара в емкости 1. Наполнение ресивера до максимально возможного давления служит сигналом для срабатывания запорного клапана 5 и включения криогенной холодильной машины Стирлинга 12. В результате этого по линии 2 газообразный выпар высокого давления поступает в первый теплообменник-нагреватель 6, где нагревается с повышением давления при теплообмене с охлаждающей жидкостью контура 19 охлаждения машины 12. Нагретый выпар сжиженного газа с высоким давлением поступает в расширительную турбину 7, где, расширяясь, охлаждается с получением полезной работы в виде электрической энергии в электрогенераторе 8, расположенном на одном валу с турбинами 7 и 10. Затем выпар поступает во второй теплообменник-подогреватель 9, где также происходит теплообмен с жидкостью контура 19, после чего выпар расширяется в турбине 10 низкого давления с получением дополнительной полезной работы, трансформируемой в электрогенераторе 8. Для увеличения перепада давлений до и после турбин 7 и 10 в линию 2 включена расширительная емкость 11. Далее из емкости 11 выпар засасывается в конденсатор 13 холодильной машины Стирлинга 12, где происходит его переконденсация. Переход выпара в жидкую фазу в конденсаторе 13 создает необходимый перепад давлений во всей линии 2. Сжиженный выпар по линии 15 слива сливается в сосуд Дьюара 16 и насосом 17 повышенного давления через обратный клапан 18 подается в теплоизолированную емкость 1 в виде сжиженного газа. С целью охлаждения холодильной машины Стирлинга 12 предусмотрен контур 19 охлаждения. По этому контуру нагретая от рабочего тела холодильной машины 12 охлаждающая жидкость из холодильника 14 с помощью насоса 21 подается сначала в охладитель 20. где происходит теплообмен с окружающей средой (например, атмосферным воздухом), при этом охлаждающая жидкость охлаждается до температуры окружающей среды. Затем жидкость подается в теплообменники-нагреватели 9 и 6, где она охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды за счета теплообмена с холодным потоком газообразного выпара и поступает вновь в холодильник 14. За счет теплообмена охлаждающей жидкости с низкой температурой и рабочим телом холодильной машины 12 происходит увеличение холодильного коэффициента машины 12, т.е. снижение мощности привода (не показан) холодильной машины 12.

Линия газообразного выпара системы хранения состоит из расширительной турбины низкого давления, установленной на одном валу с турбиной высокого давления, запорно-регулирующей арматурой, ресивером, двумя теплообменниками-нагревателями, расположенными между турбинами, и криогенной машиной Стирлинга. Линия сжиженного выпара состоит из насоса высокого давления, сосуда Дьюара и обратного клапана, установленного после насоса высокого давления. Линия сжиженного выпара идет от криогенной машины Стирлинга к емкости для хранения сжиженных газов. Контур охлаждения машины Стирлинга проходит через теплообменники-нагреватели и состоит из охладителя, связанного с окружающей средой, и насоса. Емкость для хранения сжиженного газа выполнена из высокопрочной стали. Использование изобретения позволит повысить эффективность систем и снизить материальные затраты при хранении сжиженных газов. 1 ил.

Высокоэффективная система длительного хранения сжиженных газов, включающая в себя емкость для хранения сжиженного газа, расширительную турбину высокого давления и потребитель мощности, установленные на одном валу, линию газообразного выпара и линию сжиженного выпара с насосом высокого давления, отличающаяся тем, что снабжена в линии газообразного выпара расширительной турбиной низкого давления, установленной на одном валу с турбиной высокого давления, запорно-регулирующей арматурой, ресивером, двумя теплообменниками-нагревателями, расположенными перед турбинами, расширительной емкостью, криогенной машиной Стирлинга, в линии сжиженного выпара снабжена сосудом Дьюара и обратным клапаном, установленным после сосуда высокого давления, при этом линия сжиженного выпара идет от криогенной машины Стирлинга к емкости для хранения сжиженных газов, а также контуром охлаждения криогенной машины Стирлинга, проходящим через теплообменники-нагреватели и имеющим в своем составе охладитель, связанный с окружающей средой, и насос, при этом емкость для хранения сжиженного газа выполнена из высокопрочной стали.