Изобретение относится к области создания охлаждающих и ожижающих устройств, работающих на использовании свойств расширяющегося газового потока.
Известен способ работы охлаждающего устройства, включающий разделение потока газа на два потока, один из которых подается в теплообменник, а другой - в расширитель для отбора части энергии сжатого газа. Такой способ реализуется в конструкции, описанной в [1, рис.36, с.68]. При этом известное охлаждающее устройство содержит разделитель потока газа, расширитель, теплообменник, дроссель и холодоприемник. В качестве расширителя используется или обычный дроссель, или детандер.
Чаще всего в качестве расширителя используется детандер, имеющий наиболее высокую эффективность. Но его применение в простых охлаждающих устройствах ограничено высокой стоимостью и сложностью в эксплуатации. Поэтому в такой ситуации в качестве расширителя применяется обычный дроссель. Однако он имеет малую эффективность, что является недостатком.
Кроме того, известное охлаждающее устройство с дроссельным расширителем имеет громоздкий рекуперативный теплообменник, что также является недостатком.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения и упростить конструкцию.
Указанная цель достигается тем, что в разделителе потока газ, поступающий в исходном термодинамическом состоянии, разделяется на горячий и холодный потоки. Горячий поток подают на вход прямого потока теплообменника, а холодный поток вихревой трубы подают на вход обратного потока или на выход прямого потока рекуперативного теплообменника. При этом горячий поток перед подачей в теплообменник предварительно выхолаживают.
Для реализации предлагаемого способа разделитель потока газа выполняется в виде двухпоточной вихревой трубы [2], горячий поток которой подключается к входу прямого потока теплообменника. Холодный конец такой вихревой трубы подключается или к выходу прямого потока, или к входу обратного потока рекуперативного теплообменника. При этом между горячим концом вихревой трубы и входом прямого потока рекуперативного теплообменника включается теплообменник наружного теплообмена. Или же горячий конец вихревой трубы подключается к входному патрубку прямого потока рекуперативного теплообменника через тройник, связанный с источником газа, имеющим температуру более низкую, чем температура горячего потока вихревой трубы.
Предлагаемый способ работы устройства для охлаждения реализуется в конструкции, изображенной на фиг. 1-7.
Устроена предлагаемая конструкция следующим образом (фиг.1).
Входной патрубок 1 соединен с входом 2 разделителя потока рабочей среды, выполненным в виде двухпоточной вихревой трубы 3. Горячий конец 4 двухпоточной вихревой трубы 3 подключен к входу 5 прямого потока 6 рекуперативного теплообменника 7.
Выход 8 прямого потока 6 теплообменника 7 посредством трубопровода 9 соединен с дросселем 10. Выход 11 дросселя 10 является входом холодоприемника (блока сжижения) 12. Сливной патрубок 13 холодоприемника перекрыт вентилем (на чертежах не показан).
Выход 14 холодоприемника 12 с помощью трубопровода 15 и смесителя (тройника) 16 присоединен ко входу 17 обратного потока 18 теплообменника 7. К этому же смесителю (тройнику) 16 с помощью трубопровода 19 присоединен холодный конец 20 вихревой трубы 3.
Выход 21 обратного потока 18 теплообменника 7 с помощью трубопровода 22 подсоединен к выходному патрубку 23 охлаждающего устройства. Горячий конец 4 вихревой трубы 3 присоединен к входному патрубку 5 прямого потока 6 теплообменника 7 с помощью трубопровода 24.
Горячий конец 4 может соединяться с входным патрубком 5 теплообменника через трубопровод 24 и теплообменник наружного теплообмена 25 (фиг.2).
Входной патрубок 1 охлаждающего устройства может дополнительно соединяться с входным патрубком 5 теплообменника 7, минуя вихревую трубу 3, с помощью тройника-разделителя 26 (фиг.3), вентиля-регулятора 27, дросселя 28, трубопровода 29 и тройника-смесителя 30.
Холодный патрубок 20 вихревой трубы 3 может соединяться или (фиг. 1-3, 5) с входным патрубком 17 обратного потока 18 теплообменника 7 и с выходным патрубком 14 холодоприемника 12 через тройник-смеситель 16, или (фиг. 4, 6 и 7) с выходным патрубком 8 прямого потока 6 теплообменника 7 и с дросселем 10 через тройник-смеситель 31.
В зависимости от поставленной задачи рекуперативный теплообменник во всех рассматриваемых конструкциях может состоять или из одной части 7 (фиг. 1-4 и 7), или из двух частей 7 и 32 (фиг. 5 и 6).
Рассматриваемое устройство для реализации предлагаемого способа работает следующим образом (см фиг.1).
Поступающее через входной патрубок 1 в исходном термодинамическом состоянии рабочее тело (сжатый газ) в разделителе потоков - вихревой трубе 3 разделяется на два потока 33 и 34. При этом в вихревой трубе в процессе интенсивного вращения входящего потока 2 происходит энергоразделение упомянутых потоков, в результате образуется выходной горячий поток 33 и холодный поток 34, имеющие существенно разные температуры.
Холодный поток газа 34 вихревой трубы 3 по трубопроводу 19 поступает в смеситель (тройник) 16, а горячий 33 по трубопроводу 24 - в патрубок 5 теплообменника 7. Сюда же в тройник 16 из трубопровода 15 подается холодный обратный поток из холодоприемника 12.
Смешанный холодный обратный поток 18 в теплообменнике 7 (составленный из холодного потока 34 вихревой трубы и обратного холодного потока 14, возвращаемого из холодоприемника 12) подогревается, выхолаживая теплый прямой поток 6, и поступает в выхлопной трубопровод 22, из которого через патрубок 23 подается на выход устройства для охлаждения.
Охлажденный от обратного потока 18 прямой поток 6 теплообменника 7 из патрубка 8 поступает в дроссель 10, где дросселируется (расширяется и дополнительно охлаждается). В нем образуются две фазы: жидкая и газообразная. Поступая в холодоприемник 12 двухфазный поток разделяется - жидкость скапливается на дне сосуда, откуда может быть слита через патрубок 13, а холодная газообразная фаза уходит вверх и через патрубок 14 по трубопроводу 15 поступает в смеситель 16, где смешивается с холодным потоком 34, подаваемым по трубопроводу 19, и образует холодный обратный поток 18 теплообменника 7, выхолаживающий прямой поток 6.
В зависимости от термодинамической задачи холодный поток 34 вихревой трубы 3 может смешиваться или (фиг. 1) в смесителе 16 с холодным обратным потоком 14 из трубопровода 15, поступающим из холодоприемника 12, или (фиг. 4) в тройнике-смесителе 31 с холодным прямым потоком 6, поступающим через патрубок 8 из теплообменника 7. При этом вихревая труба 3 будет работать в существенно разных режимах, например:
а) по фиг. 1 в режиме максимальной холодопроизводительности (при μхол ≈ 0,65 холодного конца 34 [2, с. 65];
по фиг.4 в режиме с минимальной температурой (при μхол ≈ 0,35 холодного конца 34 [2, с. 65].
Поскольку на вход 5 прямого потока 6 теплообменника 7 из патрубка 4 вихревой трубы 3 подается горячий газ, то представляется возможным повысить термодинамическую эффективность процесса дросселирования на дросселе 10. Для этого достаточно сбросить нежелательное тепло, поступающее на вход прямого потока рекуперативного теплообменника. С этой целью горячий поток 33, выходящий из патрубка 4, необходимо пропустить через очень простой (по сравнению с рекуперативным) теплообменник наружного теплообмена - охладитель 25 (фиг. 2).
Кроме того, такого же эффекта снижения входной температуры прямого потока 6 можно достигнуть, если к этому основному прямому потоку, подаваемому на вход 5 теплообменника 7, производить подмешивание газа с температурой более низкой, чем температура горячего потока второй вихревой трубы.
Для этого необходимо в патрубок 5 дополнительно подавать газ из любого холодного источника, например (фиг. 3), пропуская его из входного патрубка 1 через тройник-разделитель 26, регулировочный вентиль 27, дроссель 28, по трубопроводу 29 в тройник-смеситель 30 в исходном термодинамическом состоянии, минуя вихревую трубу. При этом регулировочный вентиль 27 позволяет таким образом регулировать процесс дросселирования такого газа через дроссель 28, чтобы на входе 5 в теплообменник 7 температура газовой смеси была не выше требуемой температуры обратного потока на выходе из патрубка 23 (без учета недорекуперации).
Вихревая труба 3 в предлагаемых схемах, по сути, работает в режиме обычного дросселя, особенно по фиг. 4, 6 и 7, поскольку оба выходящих теплопотока (холодный и горячий) сначала разделяются, а потом все равно смешиваются в смесителе 31. Но благодаря тому, что в теплообменник 7 в качестве прямого потока 6 заводится не холодный, а горячий поток, и он предварительно доохлаждается в теплообменнике наружного теплообмена 25 (или за счет смешения с более холодным потоком), то удается избежать потери холода и не возникает необходимость применения второго рекуперативного теплообменника (для улавливания этого холода). Возможность охлаждения горячего потока вихревой трубы перед подачей его в теплообменник повышает термодинамическое качество всего охлаждающего устройства, т.е. повышает коэффициент ожижения (по сравнению с прототипом).
Другой функцией вихревой трубы 3 в рассматриваемом устройстве является возможность снижения рабочего давления прямого потока 6 в теплообменнике 7 при сохранении эффективного функционирования устройства. Вихревая труба 3 снижает (сбрасывает) давление прямого потока 6 без потери (или даже с повышением) общего термодинамического качества. Например, представляется возможным функционирование такого устройства от входного давления природного газа 80-100 атм при наличии в рассматриваемой схеме рекуперативного теплообменника с максимальным рабочим давлением всего лишь 30-40 атм. Это резко уменьшает его стоимость, а как известно, самым дорогостоящим элементом в рассматриваемой конструкции является именно рекуперативный теплообменник.
Таким образом, предложение, позволяющее уменьшить рабочее давление в теплообменнике, позволяет значительно упростить и удешевить такой теплообменник и, следовательно, упростить все охлаждающее устройство. Кроме того, использование вихревой трубы для расширения газа повышает термодинамическую эффективность устройства, поскольку в любом случае термодинамическая эффективность обычного дросселя всегда ниже такой же эффективности вихревой трубы.
В любой технологии ожижения газа используется принцип удаления (или вывода) из потока газа излишней энергии в виде тепла. Так как вихревая труба способна вырабатывать тепло, то облегчается его удаление, а это и позволяет увеличивать коэффициент ожижения. В этом состоит основная техническая сущность изобретения.
Предлагаемое техническое решение может быть применимо не только в системах ожижения газа, но и для других целей, например, для работы в рефрижераторном режиме, в кондиционерах, в специальных технологиях и т.п.
Источники информации
1. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения, том 1, ред. В.И. Епифанова и Д.С. Аксельрод. - М.: Машиностроение, 1973 г.
2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Машиностроение, 1969.
Изобретение относится к холодильной технике. Поток сжатого газа охлаждают в теплообменнике, затем расширяют в двухпоточной вихревой трубе, причем ее горячий поток подается на вход прямого потока рекуперативного теплообменника, а холодный - на вход его обратного потока. В результате удается повысить эффективность охлаждения, при этом теплообменник работает при пониженных давлениях, что упрощает и удешевляет конструкцию. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.
СПОСОБ ПОДОГРЕВА РАСШИРЯЮЩЕГОСЯ ПОТОКА ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 1998 |
|
RU2143650C1 |
СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЖИЖЕНОГО ГАЗА (ВАРИАНТЫ) | 1992 |
|
RU2053435C1 |
Установка для разделения газовой смеси | 1978 |
|
SU1262223A2 |
Установка для разделения газовых смесей | 1977 |
|
SU1267139A1 |
0 |
|
SU180645A1 | |
DE 4345137 А1, 29.06.1995. |
Даты
2002-11-27—Публикация
2000-03-03—Подача