СПОСОБ РАБОТЫ ОЖИЖАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА И ОЖИЖАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2005 года по МПК F25J1/00 F25B9/04 

Изобретение относится к области создания охлаждающих и ожижающих устройств, работающих на использовании процесса расширения газового потока внутри вихревой трубы.

Известен способ работы ожижающего устройства, включающий охлаждение прямого потока сжатого газа в одном или в двух последовательно подключенных рекуперативных теплообменниках, расширение в расширителе и отделение образовавшейся жидкой фазы от газообразной фазы, которую подают в рекуперативный теплообменник обратным потоком, при этом перед охлаждением в теплообменнике исходный поток газа направляют в вихревую трубу, из которой отводят горячий и холодный потоки, причем холодный поток смешивают или с прямым потоком рекуперативного теплообменника до расширения или с обратным потоком после отделения жидкой фазы, а горячий поток через теплообменник наружного теплообмена подают прямым потоком на охлаждение в рекуперативный теплообменник.

Такой способ реализуется в конструкции, описанной в [1]. При этом известное сжижающее устройство содержит один или два двухпоточных рекуперативных теплообменника, расширитель и холодоприемник, имеющий жидкостную и газовые полости, причем последняя соединена с входом обратного потока теплообменника, а также вихревую трубу, холодный патрубок которой соединен или с прямым или с обратным потоком рекуперативного теплообменника, а горячий патрубок вихревой трубы соединен с входом прямого потока рекуперативного теплообменника через теплообменник наружного теплообмена.

В известном ожижающем устройстве охладитель наружного теплообмена предназначен для охлаждения потока газа только наружным воздухом, поэтому он выполнен односекционным. Но способ охлаждения атмосферным воздухом из-за его малой плотности имеет малую эффективность, что является недостатком.

Изобретение позволяет устранить указанный недостаток, т.е. изобретение позволяет повысить эффективность ожижения.

Эта проблема решается тем, что теплообменник наружного теплообмена выполняется из двух секций, одна из которых погружена в проточную воду. При этом горячий поток в одной секции теплообменника наружного теплообмена вначале охлаждают проточной водой, а затем во второй секции - холодным воздухом, при этом обратный поток из рекуперативного теплообменника направляют на выход из устройства.

Предлагаемый способ работы сжижающего устройства реализуется в конструкции, изображенной на фиг.1.

Предлагаемая конструкция монтируется на морской платформе на месте газового месторождения в полярном море и устроена следующим образом (фиг.1). Система газоподготовки 1 (очистка, осушка, дополнительное компремирование) соединена с входом 2 двухпоточной вихревой трубы 3. Горячий конец 4 этой вихревой трубы через секции 5 и 6 теплообменника наружного теплообмена подключен к входу канала прямого потока 7 рекуперативного теплообменника 8. При этом система газоподготовки имеет два входа и один выход, подключенный к входу в рассматриваемое устройство.

Выход канала прямого потока 7 рекуперативного теплообменника 8 через канал прямого потока 9 второго рекуперативного теплообменника 10 соединен с пневмодросселем 11. Выход дросселя 11 является входом холодоприемника (блока ожижения) 12. Выход 13 холодоприемника 12 через обратный канал 14 теплообменника 10 и смеситель (тройник) 15 присоединен к входу канала обратного потока 16 теплообменника 8. К этому же смесителю (тройнику) 15 присоединен холодный конец 17 вихревой трубы 3.

Тройник 15 может располагаться и на трубопроводе, соединяющем прямые каналы теплообменников 8 и 10 (фиг.2...6).

Канал обратного потока 16 рекуперативного теплообменника 8 через выхлопной патрубок 18 присоединен к выходу из устройства 18' - ко второму входу в систему газоподготовки 1.

Исходный газ подается в систему газоподготовки 1 по трубопроводу 19 из подводного месторождения.

Рассматриваемое устройство для реализации предлагаемого способа работает следующим образом (см. фиг.1).

Поступающий через входной патрубок 2 газ, подготовленный в системе газоподготовки 1, в вихревой трубе 3 разделяется на два потока - горячий 4-5 и холодный 17-15.

Холодный поток газа вихревой трубы поступает в тройник-смеситель 15. Сюда же в тройник-смеситель 15 через канал 14 обратного потока теплообменника 10 подается холодный обратный поток из холодоприемника 12. Смешанный холодный обратный поток 16 (составленный из холодного потока 17-15 вихревой трубы и обратного холодного потока 14, возвращаемого из холодоприемника 12) в теплообменнике 8 подогревается от теплого прямого потока 7, выхолаживая его, и поступает в выхлопной трубопровод 18-18', по которому подается в компрессор (не показан), входящий в комплект системы газоподготовки 1.

Охлажденный от обратного потока 14-16 прямой поток 7-9 поступает в дроссель 11, 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, а холодная газообразная фаза уходит вверх и через обратный канал 14 поступает в смеситель 15, где смешивается с холодным потоком 17-15 и формирует холодный обратный поток 16 теплообменника 8, выхолаживающий прямой поток 7.

Газ, имеющий на входе 2 в вихревую трубу 3 температуру (+)5...10°С, и потом выходящий из холодного патрубка 17, может быть охлажден в вихревой трубе до температуры (-)35...50°С, а выходящий из горячего патрубка 4 может быть подогрет до температуры (+)35...50°С и даже выше.

Горячий поток вихревой трубы из патрубка 4 поступает в первую секцию 5 теплообменника наружного теплообмена и сильно охлаждается от забортной морской воды, имеющей температуру летом не выше (+)6...9°С, а зимой не выше (+)2...4°С, после чего поступает во вторую секцию 6 того же теплообменника. Вторая секция 6 теплообменника наружного теплообмена обдувается мощным потоком холодного воздуха, имеющего температуру летом не выше (+)5...10°С, а зимой имеет температуру (-)30...50°С.

Учитывая отмеченные разные уровни температур, имеющиеся в используемой внешней среде, получается, что рассматриваемое ожижающее устройство может работать в двух существенно разных режимах - летнем и зимнем.

Летом теплосброс от горячего потока газа 4-5 в основном происходит в первой секции 5 теплообменника наружного теплообмена, при снижении температуры от (+)35...50°С до (+)8...12°С. При этом во второй секции 6 из-за отсутствия температурного напора теплосброс практически отсутствует. А это значит, что при летнем режиме работы в прямой канал 7 поступает теплый газ и в теплообменнике 8 происходит достаточно полная рекуперация холода. Но при этом "летний" коэффициент ожижения будет минимальным.

Однако летный период на Севере недолог, поэтому использование предлагаемой конструкции наиболее рационально в зимнее время, поскольку "зимний" теплосброс от горячего потока вихревой трубы будет происходить одновременно в двух секциях 5 и 6 теплообменника наружного теплообмена, что резко интенсифицирует процесс ожижения.

В первой секции 5 теплообменника наружного теплообмена происходит снижение температуры от (+)35...50°С уже до (+)6...8°С.

При этом во второй секции 6 тоже будет происходить интенсивный теплосброс при понижении температуры потока газа от (+)6...8°С до (-)20...35°С. А это значит, что при зимнем режиме работы в прямой канал 7 теплообменника 8 поступает холодный газ, что должно привести к повышению коэффициента ожижения. Однако резкого повышения производительности ожижающего устройства, изображенного на фиг.1, не произойдет, поскольку с понижением температуры прямого потока 7 начинает сильно охлаждаться и обратный поток 16, поэтому в выхлопной канал 18 будет сбрасываться полезный холод. Это является недостатком.

Для устранения такого недостатка этот холод нужно рекуперировать (возвратить). Для этого канал обратного потока рекуперативного теплообменника присоединяется к выходу из ожижающего устройства через дополнительное теплообменное устройство. В качестве такого устройства лучше всего использовать дополнительный рекуперативный теплообменник, на вход прямого канала 20 которого подключен обратный канал 16 основного теплообменника 8 (фиг.2).

Дополнительный теплообменник нужно установить в таком месте газоподающего тракта ожижающего устройства, где при любом режиме работы будет гарантированно сохраняться подача теплого газа и который будет выхолаживаться перед подачей в основной теплообменник.

При этом возможны различные варианты, для реализации которых необходимо:

- через обратный канал 21 дополнительного рекуперативного теплообменника 22 вход 2 вихревой трубы 3 подключить к входу 2'устройства (см. фиг.2), а прямым каналом 20 дополнительного теплообменника 22 соединить выход 18' из устройства с обратным каналом 16 основного теплообменника 8;

- через обратный канал 21 дополнительного рекуперативного теплообменника 23 горячий конец 4 вихревой трубы 3 подключить к входу первой секции 5 теплообменника наружного теплообмена (см. фиг.3), а прямым каналом 20 дополнительного теплообменника 23 соединить выход 18' из устройства с обратным каналом каналом 16 основного теплообменника 8;

- через обратный канал 21 дополнительного рекуперативного теплообменника 24 соединить между собой обе секции 5 и 6 теплообменника наружного теплообмена (см. фиг.4), а прямым каналом 20 дополнительного теплообменника 24 соединить выход 18' из устройства с обратным каналом 16 основного теплообменника 8; кроме того,

- дополнительное теплообменное устройство можно выполнить в виде полости охлаждения 25 камеры энергообмена вихревой трубы 3 и подавать в эту полость охлажденный газ из обратного канала 16 через трубопровод 18 (см. фиг.5), т.е. эта полость будет служить прямым каналом, а обратным каналом дополнительного теплообменного устройства будет служить камера энергообмена с вращающимся горячим потоком внутри вихревой трубы;

возможно также

- такое теплообменное устройство выполнить в виде последовательно соединенных дополнительного рекуперативного теплообменника 26 и полости охлаждения 25 камеры энергообмена вихревой трубы 3 (см. фиг.6) В каждом из перечисленных дополнительных вариантов (фиг.2, 3, 4 и 6) ввод дополнительного рекуперативного теплообменника в схему ожижителя позволяет увеличить производительность устройства за счет использования холодного наружного воздуха при обеспечении возврата полезного холода из обратного потока 13...16 при эксплуатации в зимних условиях.

То же самое можно сказать и об охлаждении (обдуве) наружной стенки камеры энергообмена вихревой трубы 3 (фиг.5 и 6).

В зависимости от состава ожижаемого газа, от доли холодного потока в вихревой трубе (μ), от уровня и распределения температур в теплообменниках, от заданных давлений в двух выходных патрубках вихревой трубы, да и от поставленной термодинамической задачи холодный поток 17-15 вихревой трубы 3 может смешиваться в тройнике-смесителе 15:

- или с холодным обратным потоком 14, выходящим из теплообменника 10 (фиг.1),

- или с холодным прямым потоком 7, поступающим из теплообменника 8 (фиг.2, 3, 4 и 5),

- или даже на входе в дроссель 11 (на выходе прямого потока 9 из теплообменника 10). Этот вариант возможен при настройке вихревой трубы на получение из холодного конца 17 вихревой трубы особо низких температур, когда задействованы сразу пять теплообменных элементов 25, 5, 26, 6 и 10 (фиг.6). При этом дополнительный теплообменник 26 вполне способен один выполнить процесс рекуперации, в том числе и взамен основного теплообменника 8. Поэтому теплообменник 8 можно из схемы исключить и пользоваться только одним основным теплообменником 10.

Рассматриваемый ожижитель монтируется на добывающей платформе в открытом море (например, в холодном Баренцевом море в районе Штокмановского месторождения и т.п.) и имеет собственную систему газоподготовки перед сжижением.

Но 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. Белостоцкий Ю.Г. Способ работы охлаждающего устройства и охлаждающее устройство. Патент РФ №2193739 от 03.03.2000 г.

2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М., "Машиностроение", 1969.

Способ работы ожижающего устройства включает охлаждение прямого потока сжатого газа в одном или двух последовательно включенных рекуперативных теплообменниках, расширение в расширителе и отделение образовавшейся жидкой фазы от газообразной фазы, которую подают в рекуперативный теплообменник обратным потоком. Перед охлаждением в теплообменнике исходный поток газа направляют в вихревую трубу, из которой отводят горячий и холодный потоки. Холодный поток смешивают или с прямым потоком рекуперативного потока до расширения или с обратным потоком после отделения жидкой фазы. Обратный поток из рекуперативного теплообменника направляют на выход из устройства. Горячий поток охлаждают в наружном теплообменнике, выполненном из двух последовательно соединенных секций, одна из которых погружена в проточную воду, а вторая обдувается потоком воздуха. Использование изобретения позволит повысить эффективность ожижения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ работы ожижающего устройства, включающий охлаждение прямого потока сжатого газа в одном или двух последовательно включенных рекуперативных теплообменниках, расширение в расширителе и отделение образовавшейся жидкой фазы от газообразной фазы, которую подают в рекуперативный теплообменник обратным потоком, при этом перед охлаждением в теплообменнике исходный поток газа направляют в вихревую трубу, из которой отводят горячий и холодный потоки, причем холодный поток смешивают или с прямым потоком рекуперативного потока до расширения, или с обратным потоком после отделения жидкой фазы, горячий поток через теплообменник наружного теплообмена подают прямым потоком на охлаждение в рекуперативный теплообменник, а обратный поток из рекуперативного теплообменника направляют на выход из устройства, отличающийся тем, что горячий поток охлаждают в наружном теплообменнике, выполненном из двух последовательно соединенных секций, одна из которых погружена в проточную воду, а вторая обдувается потоком воздуха.2. Способ работы ожижающего устройства по п.1, отличающийся тем, что обратным потоком выхолаживают поток, входящий в вихревую трубу.3. Способ работы ожижающего устройства по п.1, отличающийся тем, что обратным потоком выхолаживают поток, выходящий из горячего конца вихревой трубы.4. Способ работы ожижающего устройства по п.1, отличающийся тем, что обратным потоком выхолаживают поток, поступающий из одной секции в другую секцию теплообменника наружного теплообмена.5. Способ работы ожижающего устройства по п.1, отличающийся тем, что обратным потоком выхолаживают наружную стенку камеры энергообмена вихревой трубы.6. Ожижающее устройство, содержащее один или два двухпоточных рекуперативных теплообменника, расширитель и холодоприемник, имеющий жидкостную и газовые полости, причем последняя соединена с входом обратного потока теплообменника, а также вихревую трубу, холодный патрубок которой соединен или с прямым, или с обратным потоком рекуперативного теплообменника, а горячий патрубок вихревой трубы соединен с входом прямого потока рекуперативного теплообменника через теплообменник наружного теплообмена, а канал обратного потока рекуперативного теплообменника присоединен к выходу из устройства, отличающийся тем, что теплообменник наружного теплообмена выполнен из из двух последовательно соединенных секций, одна из которых погружена в проточную воду, а вторая обдувается потоком воздуха.7. Ожижающее устройство по п.6, отличающееся тем, что канал обратного потока рекуперативного теплообменника присоединен к выходу из ожижающего устройства через теплообменное устройство.8. Ожижающее устройство по п.7, отличающееся тем, что теплообменное устройство выполнено в виде дополнительного рекуперативного теплообменника, на вход прямого канала которого подключен обратный канал основного теплообменника.9. Ожижающее устройство по п.8, отличающееся тем, что через обратный канал дополнительного рекуперативного теплообменника вход вихревой трубы подключен к входу устройства.10. Ожижающее устройство по п.8, отличающееся тем, что через обратный канал дополнительного рекуперативного теплообменника горячий конец вихревой трубы подключен к входу первой секции теплообменника наружного теплообмена.11. Ожижающее устройство по п.8, отличающееся тем, что секции теплообменника наружного теплообмена соединены между собой через обратный канал дополнительного рекуперативного теплообменника.12. Ожижающее устройство по п.7, отличающееся тем, что теплообменное устройство выполнено в виде полости охлаждения для камеры энергообмена вихревой трубы.13. Ожижающее устройство по п.7, отличающееся тем, что теплообменное устройство выполнено в виде последовательно соединенных дополнительного рекуперативного теплообменника и полости охлаждения камеры энергообмена вихревой трубы.