СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДЕТАНДЕР Российский патент 2004 года по МПК F25B9/06 

Изобретение относится к поршневым расширительным машинам, а именно к свободнопоршневым детандерам, и может быть использовано в криогенных системах для сжижения газов, в частности, для получения из природного и нефтяного газа сжиженного природного газа (СПГ) - углеводородной жидкости, состоящей в основном из метана.

Предпочтительной областью применения изобретения является получение СПГ на газораспределительных станциях (ГРС), где осуществляют отбор природного газа из магистрального газопровода в низконапорную газовую сеть потребителя.

Известны поршневые детандеры с кривошипно-шатунным механизмом движения поршня, содержащие рабочий цилиндр с движущимся в нем поршнем и систему принудительного газораспределения, представляющую собой впускной и выпускной клапаны с механическим приводом, связанным с основным приводом поршня [1].

Существенными недостатками известных детандеров являются высокая конструктивная сложность, значительные масса и габариты и низкая эксплуатационная надежность, обусловленная большим количеством подвижных элементов привода поршня и газораспределительного устройства. Кроме того, использование данных детандеров в криогенных системах в качестве генераторов холода требует применения значительного количества дополнительного оборудования: теплообменников и регенераторов для рекуперации холода газа, расширяемого в цилиндре детандера; дегидратора сырьевого газа; сепаратора для отделения из охлажденного сырьевого газа жидкости. Это приводит к повышенному расходу энергии на компенсацию потерь холода в окружающую среду. Все это снижает КПД известных детандеров.

В криогенной технике для получения низких температур путем расширения сжатого газа известно применение более перспективных свободнопоршневых (или безвальных) детандеров, например вертикальный свободнопоршневой детандер Кларка, используемый в установке сжижения гелия [2]. Детандер содержит корпус с выпускными окнами и впускным и выпускным клапанами, установленный в корпусе поршень. Прямой ход поршня производится под действием расширяющегося в детандере газа, обратный ход - расширением газа из мертвого объема. Преимущество свободнопоршневого детандера в простоте конструкции, значительно меньших массе и габаритах, а также в том, что у него только одна движущаяся деталь.

Недостатком известного детандера является значительный объем мертвого пространства, обусловленный необходимостью обеспечения обратного движения поршня, а также отсутствие регенерации холода в самом детандере, значительные потери холода во внешнюю среду, что приводит к снижению его КПД.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является свободнопоршневой детандер для криогенных систем, содержащий рабочий цилиндр с окнами для впуска и выпуска газа, размещенные внутри цилиндра поршень с каналами для газа, установленный внутри поршня регенератор и газораспределительное устройство в виде золотника [3]. Использование явления регенеративного теплообмена в известном детандере повышает его КПД, т.к. снижает потери холода в окружающую среду.

Однако КПД известного свободнопоршневого детандера еще недостаточно высок. Это обусловливается расположением регенератора на пути прямого хода поршня, что не обеспечивает снижение температуры расширяемого газа до температуры его сжижения. Известный детандер также требует применения дополнительного оборудования для получения сжиженного газа.

Задачей заявляемого изобретения является повышение КПД детандера за счет снижения потерь холода в окружающую среду, уменьшения объема мертвого пространства.

Поставленная задача решается за счет того, что свободнопоршневой детандер, включающий рабочий цилиндр с окнами для впуска и выпуска газа, размещенный внутри рабочего цилиндра поршень, разделяющий его на расширительную и компрессорную полости, регенератор и газораспределительное устройство в виде золотниковой пары, согласно заявляемому изобретению дополнительно содержит газожидкостный сепаратор, который снабжен центробежными завихрителями и установлен на регенераторе, расположенном в мертвом пространстве расширительной полости рабочего цилиндра, имеющего со стороны компрессорной полости всасывающий и нагнетательный клапаны, подключенные к магистралям подачи и сброса управляющего газа, при этом поршень выполнен в виде стакана с донышком в верхней его части, внутренний диаметр и высота которого обеспечивают скользящую посадку поршня на сепаратор в нижней мертвой точке.

Новым в заявляемом свободнопоршиевом детандере является:

- наличие газожидкостного сепаратора, установленного в рабочем цилиндре детандера на регенераторе и снабженного центробежными завихрителями;

- размещение регенератора в мертвом пространстве расширительной полости рабочего цилиндра;

- наличие впускного и выпускного клапанов, установленных в рабочем цилиндре со стороны компрессорной полости и подключенных к магистралям подачи и сброса управляющего газа;

- выполнение поршня в виде стакана с донышком в верхней его части, внутренний диаметр и высота которого обеспечивают скользящую посадку поршня на сепаратор в нижней мертвой точке.

Известно размещение регенератора в мертвом пространстве расширительной полости рабочего цилиндра поршневого детандера [4]. В заявляемом изобретении данный признак применен по своему известному назначению с получением ожидаемого технического результата: обеспечения регенеративного теплообмена поступающего в рабочий цилиндр детандера газа с выходящим расширенным охлажденным потоком для снижения температуры входящей порции газа до начала его расширения. Это позволяет достичь криогенных температур при расширении газа и получить частично ожиженный поток газа непосредственно в детандере.

Известен поршневой детандер с установленными в его рабочем цилиндре со стороны компрессорной полости клапанами, соединенными с магистралями подачи и сброса управляющего газа [5]. Использование данного признака в заявляемом детандере позволяет снизить объем мертвого пространства в компрессорной полости рабочего цилиндра детандера.

В процессе патентно-информационного поиска с целью выявления релевантных источников информации не были обнаружены сведения о детандерах, содержащих установленный в рабочем цилиндре газожидкостный сепаратор, снабженный центробежными завихрителями. Также не были обнаружены сведения, касающиеся выполнения поршня в виде стакана, внутренние размеры которого соответствуют размерам газожидкостного сепаратора и обеспечивают его скользящую посадку на сепаратор в нижней мертвой точке. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию “изобретательский уровень”.

Технический результат, получаемый от установки непосредственно в рабочем цилиндре детандера газожидкостного сепаратора, состоит в снижении потерь холода во внешнюю среду. Наличие в газожидкостном сепараторе центробежных завихрителей позволяет при малых размерах сепаратора обеспечить эффективное отделение жидкой фазы охлажденного в детандере газа.

Технический результат, получаемый за счет выполнения поршня в виде стакана с донышком в верхней части и выбора его внутренних размеров, исходя из условия обеспечения его скользящей посадки на сепаратор в нижней мертвой точке, состоит в снижении до минимума объема мертвого пространства расширительной полости детандера, а также уменьшении его массы.

На чертеже представлен общий вид свободнопоршневого детандера.

Детандер содержит рабочий цилиндр 1 с окнами впуска 2 и выпуска 3 рабочего газа, к которому крепятся фланцы трубопроводов сжатого 4 и расширенного 5 рабочего газа. В нижней части рабочего цилиндра 1 размещено газораспределительное устройство в виде золотниковой пары, включающее стакан 6, поршень 7, имеющий форму катушки, и трубопровод 8 подачи и отвода пилотного газа. В стакане 6 выполнены поперечные прорези, сообщающие газораспределительное устройство с центральным вертикальным каналом 9. В мертвом пространстве расширительной полости рабочего цилиндра 1 установлен регенератор 10, полость которого заполнена насадкой, обладающей повышенной удельной поверхностью порядка 3 тыс.м²/м³, например спирали-стаканчики из проволоки с диаметром 0,3-0,8 мм. На регенераторе 10 установлен газожидкостной сепаратор 11 инерционного типа с завихрителями, снабженный патрубком 12 отвода сжиженного газа. В крышке рабочего цилиндра размещены всасывающий 13 и нагнетательный 14 клапаны, сообщающиеся соответственно с магистралями подачи 15 и сброса 16 управляющего газа. Внутри цилиндра 1 размещен легкий поршень 17, выполненный в виде стакана таким образом, что при нахождении поршня в нижней мертвой точке радиальные и линейные зазоры между поршнем 17 сепаратором 11 не превышают 1-2 мм, что обеспечивает скользящую посадку поршня на сепаратор. Поршень 17 может свободно перемещаться внутри цилиндра 1 в зависимости от перепада давлений в расширительной и компрессорной полостях.

Детандер работает следующим образом.

Путем подачи по трубопроводу 8 пилотного газа под поршень 7 газораспределительного устройства и его отвода осуществляют последовательно впуск сжатого рабочего газа в детандер и выпуск расширенного рабочего газа. При подаче пилотного газа под поршень 7 газораспределительного устройства открывается окно 2 впуска и производится впуск сжатого рабочего газа из трубопровода 4. Через поперечные прорези стакана 6 газораспределительного устройства сжатый рабочий газ поступает в центральный вертикальный канал 9 и далее через регенератор 10 в расширительнную полость рабочего цилиндра 1, где происходит его резкое расширение и вследствие этого охлаждение. При этом расширение рабочего газа начинается уже в регенераторе 10, где он одновременно охлаждается вследствие рекуперативного теплообмена с насадкой, охлажденной обратным потоком расширенного газа в предыдущем цикле. При расширении газ совершает работу по передвижению поршня 17 в верхнюю мертвую точку и выталкиванию находящегося над поршнем 17 (в компрессорной полости рабочего цилиндра 1) управляющего газа через нагнетательный клапан 14 в магистраль 16 сброса управляющего газа. Холод, эквивалентный затраченной энергии, а также холод эффекта Джоуля-Томсона вызывают частичную конденсацию рабочего газа. При достижении поршнем 17 верхней мертвой точки производится подача в компрессорную полость рабочего цилиндра 1 управляющего газа из магистрали 15 через всасывающий клапан 13 под давлением, превышающим давление в расширительной полости рабочего цилиндра. Вследствие этого поршень 17 движется к нижней мертвой точке, вытесняя расширенный и охлажденный рабочий газ через центральный канал 9 в окно 3 выпуска и трубопровод 5 расширенного рабочего газа. При движении обратного потока расширенного, охлажденного и частично сжиженного рабочего газа через сепаратор 11 отделяется жидкая фаза, полученную в сепараторе жидкость отводят через патрубок 12, а холод расширенного газа рекуперируют в регенераторе 10.

Изготовлен опытный образец свободнопоршневого детандера, предназначенного для получения сжиженного природного газа (метана) на ГРС. Производительность его по сжатому газу составляет 2 000 нм³/час; количество вырабатываемого СПГ - 150 кг/час.

Испытания опытного образца показали, что применение предлагаемого детандера для получения сжиженного природного газа позволит повысить коэффициент сжижения (количество вырабатываемого СПГ) за счет повышения КПД устройства, а также сократить объемы строительно-монтажных работ при создании установок сжижения газа.

Источники информации

1. А.М.Архаров. Низкотемпературные газовые машины (криогенераторы). М., “Машиностроение”, 1969 г., стр.184.

2. А.М.Архаров. Криогенные поршневые детандеры. М., “Машиностроение”, 1974 г., стр.167, 168, 197.

3. Авт. св. СССР №322572, МПК F 25 B 9/00, опубл. 30.11.71, Б.И. №36 (прототип).

4. А.М.Архаров. Низкотемпературные газовые машины (криогенераторы). М., “Машиностроение”, 1969 г., стр.8.

5. Авт. св. СССР №638810, МПК F 25 B 9/00, опубл. 25.12.78, Б.И. №47.

Изобретение относится к поршневым расширительным машинам и может быть использовано в криогенных системах для сжижения газов, в частности для получения из природного и нефтяного газа сжиженного природного газа - углеводородной жидкости, состоящей в основном из метана. Свободнопоршневой детандер содержит рабочий цилиндр с окнами для впуска и выпуска газа, размещенный внутри рабочего цилиндра поршень, разделяющий его на расширительную и компрессорную полости, регенератор, газораспределительное устройство в виде золотниковой пары, газожидкостный сепаратор. Сепаратор снабжен центробежными завихрителями и установлен на регенераторе, расположенном в мертвом пространстве расширительной полости рабочего цилиндра, имеющего со стороны компрессорной полости всасывающий и нагнетательный клапаны. Клапаны подключены к магистралям подачи и сброса управляющего газа. Поршень выполнен в виде стакана с донышком в верхней его части, внутренний диаметр и высота которого обеспечивают скользящую посадку поршня на сепаратор в нижней мертвой точке. Использование изобретения позволит повысить коэффициент сжижения за счет повышения КПД устройства, а также сократить объемы строительно-монтажных работ при создании установок сжижения газа. 1 ил.

Свободнопоршневой детандер, включающий рабочий цилиндр с окнами для впуска и выпуска газа, размещенный внутри рабочего цилиндра поршень, разделяющий его на расширительную и компрессорную полости, регенератор и газораспределительное устройство в виде золотниковой пары, отличающийся тем, что он дополнительно содержит газожидкостный сепаратор, который снабжен центробежными завихрителями и установлен на регенераторе, расположенном в мертвом пространстве расширительной полости рабочего цилиндра, имеющего со стороны компрессорной полости всасывающий и нагнетательный клапаны, подключенные к магистралям подачи и сброса управляющего газа, при этом поршень выполнен в виде стакана с донышком в верхней его части, внутренний диаметр и высота которого обеспечивают скользящую посадку поршня на сепаратор в нижней мертвой точке.