СПОСОБ РАБОТЫ ОЖИЖИТЕЛЯ ГАЗА Российский патент 2003 года по МПК F25J1/00 F25B9/04 

Изобретение относится к области работы устройств для ожижения газа с использованием вихревых труб в качестве холодообразующих элементов.

Известен способ работы ожижителя газа, включающий пропускание исходного потока газа через теплообменник, расширение этого потока в вихревой трубе, подачу потока холодного конца вихревой трубы в сборник ожиженного газа и отвод несконденсировавшегося газа из сборника жидкости обратным потоком в теплообменник [1, фиг.7, с.174].

Однако применение такого способа затруднено из-за сложностей с запуском устройства в работу, что является недостатком.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение указанного недостатка.

Поставленная задача решается тем, что подогретый поток вихревой трубы смешивают с обратным потоком, выходящим из теплообменника, до тех пор, пока температура подогретого потока вихревой трубы не станет ниже температуры исходного потока, затем этот поток смешивают с обратным потоком на входе в теплообменник.

При этом подогретый поток вихревой трубы вначале формируется на внутренней поверхности камеры энергоразделения и может выводиться через горячий конец двухпоточной трубы. Но благодаря теплопроводности стенок камеры энергоразделения такой подогретый поток можно формировать и на ее наружной поверхности. Поэтому подогретый поток может быть получен и от однопоточной вихревой трубы, например, за счет обдува наружной поверхности камеры энергоразделения.

В то же время при подаче холодного потока на вход вихревой трубы горячий конец выдает хотя и подогретый поток (по отношению к входу в вихревую трубу), но все же достаточно холодный (по отношению к входу в ожижитель).

Предлагаемый способ реализуется в конструкциях, изображенных на фиг. 1.. .13.

Во всех представленных схемах ожижения вихревая труба может работать или в "обычном" двухпоточном режиме (фиг.1, 2, 4, 8, 9, 10 и 13), т.е. иметь открытыми и холодный и горячий концы, или в однопоточном режиме, т.е. иметь открытым только холодный конец, а горячий конец у нее наглухо перекрыт (фиг. 3, 6, 7, 11 и 12).

Если предположить, что такая однопоточная вихревая труба при своей работе не имеет теплообмена с окружающей средой (адиабатический режим), то ее работа ничем не будет отличаться от работы обычного пневмодросселя. Поэтому для проявления требуемого эффекта ожижения однопроходная вихревая труба должна работать в неадиабатическом режиме, т.е. иметь возможность охлаждения камеры энергоразделения 8 от внешней среды, что и предусмотрено в предлагаемом способе работы ожижителя газа.

Конструкция, работающая по предлагаемому способу (фиг.1), содержит рекуперативный теплообменник 1, вихревую трубу 2 и сборник жидкости (холодоприемник) 3. Вихревая труба 2 имеет три патрубка: входной патрубок 4, горячий конец 5 и холодный конец 6.

Кроме того, вихревая труба 2 имеет камеру закручивания 7, в которой расположено закручивающее устройство - улитка ( не показана) и камеру энергоразделения 8.

Теплообменник 1 имеет два канала - прямой 9 и обратный 10. Вход прямого канала 9 теплообменника 1 соединен с входным патрубком 11 ожижителя газа. Выход прямого канала 9 теплообменника подключен к входному патрубку 4 вихревой трубы. Вход обратного канала 10 теплообменника подключен к выходному патрубку 12 сборника жидкости 3.

Холодный конец 6 вихревой трубы 2, минуя теплообменник, подключен ко входу 13 сборника жидкости 3. Горячий патрубок 5 вихревой трубы с помощью двухходового крана 14 и тройников-смесителей 15 и 16 может подключаться или к входу или к выходу обратного потока 10 теплообменника 1. Выход обратного потока 10 теплообменника подключен также и к выходному патрубку 17 ожижителя газа.

Работает рассматриваемая конструкция (фиг.1) следующим образом.

Сжатый газ в исходном термодинамическом состоянии подается во входной патрубок 11, проходит по прямому каналу 9 теплообменника 1, выхолаживается от холодного обратного потока 10 и поступает на вход 4 вихревой трубы 2. Охлажденный газ, поступающий в вихревую трубу 2 из теплообменника 1, закручивается с помощью спиральной улитки, находящейся в камере 7, в камере энергоразделения 8 расширяется и разделяется по температуре: холодная часть поступает в холодный патрубок 6, горячая часть поступает в горячий патрубок 5 и через двухходовой кран 14, а также через тройник 16 (трубопровод, их соединяющий, показан пунктиром) подается на выход обратного потока 10 теплообменника 1 и на выход 17 ожижителя газа.

Так как камера закручивания 7 оказывает значительное сопротивление прохождению газа при его расширении, то согласно закону Джоуля-Томсона, на выходе из камеры 7 происходит дальнейшее охлаждение газа, что приводит к постепенному охлаждению холодоприемника (сборника жидкости) 3.

По мере понижения температуры холодоприемника 3 в обратный канал 10 теплообменника 1 через выходной патрубок 12 и тройник 15 поступает все более холодный поток, который все более выхолаживает прямой поток 9, поступающий на вход 4 вихревой трубы, поэтому холодный конец 6 вихревой трубы выдает все более холодный газ и все более низкую температуру приобретает охлаждаемый объект - холодоприемник 3.

Однако рассматриваемая схема с включением в работу пунктирного трубопровода (фиг.1) только в том случае является эффективной, если температура Т₅ горячего конца 5 вихревой трубы выше или равна температуре Т₁₁ потока входящего в патрубок 11, т.е условие работоспособности такой схемы:
Т₅≥Т₁₁ (1)
В таком случае двухходовой кран 14 должен быть установлен в такое положение, чтобы поток из горячего конца 5 вихревой трубы с помощью тройника-смесителя 16 поступал только на выход обратного потока 10 теплообменника. Это начальный (временный) режим запуска ожижителя газа, поэтому на фиг.1 временно функционирующий трубопровод, соединяющий двухходовой кран 14 и тройник 16, показаны пунктиром.

В процессе работы вихревого устройства температура газа, поступающего из прямого канала 9 теплообменника 1 во входной патрубок 4 вихревой трубы, постепенно понижается. Одновременно с этим понижается температура холодного 6 и горячего 5 концов вихревой трубы. На определенном этапе температура Т₅ горячего конца 5 вихревой трубы становится ниже температуры Т₁₁ потока входящего в патрубок 11:
Т₅<Т₁₁ (2)
А это означает, что получая на горячем конце вихревой трубы и выбрасывая на выход из устройства газ (по пунктирному трубопроводу) с температурой меньшей, чем температура входного потока, мы значительно теряем в холодопроизводительности. Это является недостатком.

С целью уменьшения этого недостатка необходимо для обеспечения максимальной холодопроизводительности вихревого устройства использовать и охлажденный поток горячего конца 5. Для этого такой охлажденный поток тоже нужно пропустить обратным потоком через теплообменник, чтобы дополнительно охладить прямой поток 9, входящий в вихревую трубу. Чтобы более успешно осуществлять такую теплопередачу, необходимо охлажденный поток горячего конца 5 с помощью двухходового крана 14 и тройника-смесителя 15 ввести на вход обратного потока 10 теплообменника, перекрыв доступ газа по пунктирному (временному) трубопроводу. Это уже постоянный (установившийся) режим работы ожижителя газа, поэтому на фиг.2 и др. трубопровод 18 и тройник 15 показаны сплошной линией.

Далее на фиг.2...13 будут показаны схемы ожижителей, настроенные на работу в установившемся режиме. Это будет означать, что эти ожижители работают в постоянном, т.е. установившемся режиме, но для их запуска ранее был использован вспомогательный "пунктирный" трубопровод, изображенный только на фиг. 1. Для простоты изображения такой трубопровод и соединяющий кран 14 на других рисунках не изображены.

В процессе охлаждения осевого потока в камере энергоразделения обязательно формируется подогретый поток, часть энергии которого концентрируется на стенках этой камеры, а часть сбрасывается через горячий конец.

С целью повышения эффекта ожижения вихревая труба должна работать в неадиабатическом режиме, т. е. иметь возможность охлаждения камеры энергоразделения 8 от внешней среды для сброса энергии подогретого потока.

На фиг.2 показан ожижитель газа с неадиабатной вихревой трубой. На камеру энергоразделения 8 надет с зазором кожух 19. Получившийся зазор образует камеру охлаждения 20. Камера охлаждения имеет два патрубка для подачи охлаждающей среды: входной 21 и выходной 22. Входной патрубок 21 камеры охлаждения связан выходным патрубком 12 сборника жидкости 3, а выходной патрубок 22 через тройник 15 подключен к входу прямого потока 10 теплообменника 1. Сюда же к тройнику 15 подключен горячий конец 5 вихревой трубы.

При этом выходящий из сборника жидкости 3 несжижившийся холодный газ через патрубки 12 и 21 вначале подают в камеру охлаждения 20 и на наружную стенку камеры энергоразделения 8 вихревой трубы, где он, охлаждая наружную стенку камеры энергоразделения, подогревается, подается через патрубок 22 в тройник 15, после чего он смешивается с другим подогретым потоком, выходящим из горячего конца 5 вихревой трубы, а только потом из такого суммарного подогретого потока вихревой трубы формируют обратный поток 10 теплообменника. В результате охлаждения камеры энергоразделения холодным обратным потоком удается понизить температуру газа, выходящего из холодного конца 6 вихревой трубы [2, стр.74], а это приводит к повышению эффективности работы вихревой трубы и как результат к повышению эффективности ожижения.

Однако выходящим из сборника жидкости 3 холодным обратным потоком можно охлаждать камеру энергоразделения не только у двухпоточной, но и у однопоточной вихревой трубы (фиг.3) и это также повышает эффективность ожижения. При этом трубопровод 18', соединяющий выходной патрубок 22 с каналом 10 обратного потока, можно считать подобным трубопроводу 18 у схемы (фиг.1) с двухпоточной вихревой трубой. По этому трубопроводу подогретый поток вихревой трубы подается в обратный канал 10 теплообменника 1.

Наличие кожуха 19 на камере энергоразделения 8 вихревой трубы 2 позволяет еще более ускорить процесс запуска в работу ожижающего устройства. Для этого наружную стенку камеры энергоразделения вихревой трубы выхолаживают охлажденным жидким или газообразным хладагентом. При этом возможны один из нижеперечисленных вариантов:
- наружную стенку камеры энергоразделения вихревой трубы охлаждают, подавая в камеру охлаждения 20 холодный жидкий рассол или холодную легкокипящую жидкость, типа легких углеводородов (спирты) или фторуглероды (хладоны);
- наружную стенку камеры энергоразделения вихревой трубы охлаждают холодным газовым потоком, выходящим из дополнительной холодильной машины, например, этиленового или пропанового холодильника;
- наружную стенку камеры энергоразделения вихревой трубы охлаждают холодным газовым потоком, выходящим из ранее охлажденного сборника жидкости 3, после чего из этого потока формируют обратный поток теплообменника;
- наружную стенку камеры энергоразделения вихревой трубы охлаждают холодным газовым потоком от другой вихревой трубы;
- наружную стенку камеры энергоразделения вихревой трубы охлаждают холодным газовым потоком, поступающим из сосуда с жидким газом, например из Дюара с жидким азотом, переохлажденным пропаном, жидким метаном и т.п.

Для решения указанной задачи патрубок 21 (фиг.4) необходимо через тройник 23 подключить к одному из перечисленных источников холодного газового потока "ДОП. ХОЛОД".

Все устройства, изображенные на фиг.1...4, предназначены для ожижения любого газа независимо от сложности его компонентного состава - ожижается как бы однокомпонентный газ. По крайней мере, разделения такого газа по компонентам в таких конструкциях не предусмотрено.

Однако вихревая труба, имея внутри себя мощный вращающийся газовый вихрь, способна разделять (сепарировать) по фракциям компоненты газа, имеющие разную плотность, например газ и жидкость. Тяжелые компоненты сложного по составу, например, природного газа начинают сжижаться уже в теплообменнике и прямой поток 9 на входе 4 в вихревую трубу почти всегда содержит капельную жидкость пропана, бутана и т.п. Поэтому такую жидкость (тяжелый компонент) желательно сразу после теплообменника уловить (сепарировать), т.е. перед расширением (дросселированием) или во время расширения.

Во время центробежного дросселирования в вихревой трубе тяжелый компонент под действием центробежных сил вытесняет более легкий газ в центр вращения, а сам прижимается к периферии вращения, создавая вращающийся жидкостный слой на внутренней поверхности камеры энергоразделения. Это позволяет отвести такой движущийся слой через отверстие в стенке камеры энергоразделения.

На фиг. 5 показан ожижитель газа с однопоточной сепарирующей адиабатной вихревой трубой. В такой вихревой трубе заглушен холодный конец, а газ выпускается из горячего конца 5.

С внутренней стороны стенки камеры энергоразделения 8 выполнена коллекторная канавка 24, собирающая движущуюся пленку жидкости. Охлажденный в рекуперативном теплообменнике 1 прямой поток 9 подается на вход 4 вихревой трубы и поступает в камеру закручивания 7 и камеру энергообмена 8, где расширяется и доохлаждается до температуры конденсации, что приводит к появлению дополнительных капель жидкости. Такие капли под действием центробежных сил прижимаются к внутренним стенкам камеры энергоразделения и, вращаясь, двигаются в сторону горячего конца 5, а в результате попадают в коллектор 27. Из коллектора собранная жидкость отводится через патрубок 25 в сборник жидкости 26.

Отсепарированный в вихревой трубе расширившийся газ через патрубок 5 горячего конца подается в тройник-смеситель 15, где вместе с испаряющимся газом из сборника жидкости 26 образует обратный поток 10 теплообменника 1.

Если в однопоточной сепарирующей вихревой трубе для вывода газа использовать не горячий, а холодный конец 6 (фиг.6), тогда неизбежно будет присходить разделение жидкого газа по фракциям - вначале после расширения газа в камере закручивания 7 и перетекания в камеру энергоразделения 8 в канавке 24 будет сепарироваться более тяжелая фракция и выводиться из патрубка 25, затем после процесса энергомассообмена в камере 8 начнется процесс выхолаживания оставшегося несжиженным газа и из патрубка 6 будет поступать переохлажденный газ, который, поступая в сборник жидкости, будет конденсироваться и скапливаться на дне. Если нет необходимости разделять жидкость по фракциям, то можно обойтись одним сборником жидкости 26 (фиг.5 и 6). Но если такое разделение необходимо, то используются два сборника жидкости 26 и 3 (фиг.7). В сборник 26 поступает тяжелая фракция (смесь пропана, бутана и др.), в сборник 3 поступает легкая фракция (метан).

При этом необходимо использовать или два двухпоточных теплообменника или один трехпоточный 27 (фиг.7 и др.)
Сепарировать (разделять по фракциям) может не только однопоточная сепарирующая вихревая труба (фиг.5, 6 и 7), но и двухпоточная (фиг.8 и 9). При этом охлажденный поток, выходящий из горячего конца 5 вихревой трубы, может быть использован в одном из трех возможных вариантов:
- либо в тройнике-смесителе 15 смешивается с потоком, выходящим из патрубка 12 сборника жидкости 3 (фиг.8) и вместе они организуют обратный поток 10 теплообменника 1;
- либо этот охлажденный поток, выходящий из горячего конца 5 вихревой трубы, образует самостоятельный обратный поток 28 теплообменника 27. А обратный поток 10 этого же теплообменника формируется (фиг.9) в тройнике-смесителе 30 за счет объединения потоков газа, выходящих из патрубков 12 и 31 сборников жидкости 3 и 26.

- либо этот охлажденный горячий поток, выходящий из горячего конца 5 вихревой трубы (фиг. 10) совместно с потоком, выходящим из патрубка 31 сборника жидкости 26, в тройнике-смесителе 32 организуют обратный поток 28 теплообменника 27.

Кроме того, такая сепарирующая вихревая труба может работать и в вышерассмотренном неадиабатическом режиме за счет дополнительного охлаждения камеры энергоразделения 8 путем пропускания через камеру 23 недоожиженного холодного газа либо из сборника жидкости 3 (фиг.11), либо из сборника жидкости 26 (фиг. 12), т. е. также как и в конструкциях, изображенных на фиг.3 и 2. Причем сепарирующая неадиабатическая вихревая труба может работать либо в однопоточном (фиг.11 и 12), либо двухпоточном режиме (фиг.13).

Неадиабатический режим работы вихревой трубы позволяет увеличить эффективность ожижения. При этом основной средой, охлаждающей камеру энергоразделения 8, является выкипающий метан, растворенный в жидких тяжелых фракциях (в жидком пропане и др.), собирающихся в сборнике жидкости 26, т.е. в этом сборнике жидкости происходит дальнейшее разделение газов. Подобное выкипание метана в сборнике жидкости 26 будет происходить и в устройствах, изображенных на фиг.7...13.

Рассмотренный способ работы ожижителя газа может найти применение в устройствах для ожижения воздуха, метана, азота и др. газов.

Литература
1. Суслов А.Д., Иванов А.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. Вихревые аппараты. -М.: Машиностроение. 1985.

Изобретение относится к созданию устройств для ожижения газа с использованием вихревых труб. Поток горячего конца вихревой трубы смешивают с обратным потоком, выходящим из теплообменника, до тех пор, пока температура потока горячего конца вихревой трубы не станет ниже температуры исходного потока. Затем этот поток смешивают с обратным потоком на входе в теплообменник. Использование изобретения позволит повысить эффективность ожижения и ускорить запуск в работу ожижителя. 7 з.п.ф-лы, 13 ил.

1. Способ работы ожижителя газа, включающий пропускание исходного потока газа через теплообменник, расширение этого потока в вихревой трубе, подачу потока холодного конца вихревой трубы в сборник ожиженного газа и отвод несконденсировавшегося газа из сборника ожиженного газа обратным потоком в теплообменник, отличающийся тем, что подогретый поток вихревой трубы смешивают с обратным потоком, выходящим из теплообменника, до тех пор, пока температура подогретого потока вихревой трубы не станет ниже температуры исходного потока, затем этот поток смешивают с обратным потоком на входе в теплообменник. 2. Способ работы ожижителя газа по п. 1, отличающийся тем, что наружную стенку камеры энергоразделения вихревой трубы выхолаживают жидким или газообразным потоком. 3. Способ работы ожижителя газа по п. 2, отличающийся тем, что холодный газовый поток получают посредством холодильной машины. 4. Способ работы ожижителя газа по п. 2, отличающийся тем, что холодный газовый поток отводят из сборника ожиженного газа. 5. Способ работы ожижителя газа по п. 2, отличающийся тем, что холодный газовый поток получают посредством отвода потока холодного конца из дополнительной вихревой трубы. 6. Способ работы ожижителя газа по п. 2, отличающийся тем, что холодный газовый поток получают посредством отвода потока холодного газа из сосуда Дьюара. 7. Способ работы ожижителя газа по п. 1, отличающийся тем, что поток внутри вихревой трубы сепарируют, отделяя жидкую фракцию. 8. Способ работы ожижителя газа по п. 7, отличающийся тем, что жидкую фракцию сбрасывают в отдельный сборник.