СПОСОБ ОЖИЖЕНИЯ ВОДОРОДА С ГЕЛИЕВЫМ ХОЛОДИЛЬНЫМ ЦИКЛОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК F25J1/02 F25J5/00 

Изобретение относится к криогенной технике и широко может быть использовано в водородных ожижителях.

Известен способ ожижения водорода за счет водородного холодильного цикла и ожижитель водорода, включающий сжатие, предварительное азотное охлаждение продукционного потока водорода, рекуперативный теплообмен с циркуляционным потоком водорода холодильного цикла и конденсацию за счет испарения водорода, получаемого в холодильном цикле [Криогенные системы. Т.2. А.М.Архаров и др. Москва, Машиностроение, 1987 г., стр.168-170, рис.2.17].

Главными недостатками данного способа и ожижителя водорода являются взрыво-пожароопасность и сложность создания надежного оборудования компримирования и расширительных машин в циркуляционном водородном контуре охлаждения.

Известен способ ожижения водорода и установка посредством водородно-пропанового холодильного цикла [Криогенные системы. A.M.Архаров, В.П.Беляков. Москва, Машиностроение, 1987 г., стр.382-387, рис.5-18].

Основной недостаток указанного способа и установки взрыво- и пожароопасность, зависимость эффективности от состава водородно-пропановой смеси, необходимость постоянного контроля и поддержание состава смеси, затруднительность регулирования холодопроизводительности в широком диапазоне.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ ожижения водорода с гелиевым холодильным циклом и водородный ожижитель, включающий сжатие потока водорода, предварительное охлаждение газообразным и жидким азотом, изотермическую конверсию, а также охлаждение, адиабатную конверсию и сжижение водорода за счет рекуперативного теплообмена с частью потока гелия, выводимого из гелиевого холодильного цикла, и дросселирование потока водорода, а также сжатие гелия, охлаждение его жидким азотом, расширение части потока гелия в двух последовательно установленных турбодетандерах, отбор оставшейся части сжатого потока гелия из гелиевого холодильного цикла на охлаждение водорода и возврат его в холодильный гелиевый цикл. [Химическое и нефтяное машиностроение, №3, 2002 г. Ожижитель водорода малой производительности с гелиевым циклом, стр.26-28]

Основным недостатком данного способа и ожижителя водорода является низкий термодинамический КПД, высокий удельный расход энергии на производство жидкого водорода на номинальном режиме работы при дальнейшем снижении эффективности в случае регулирования производительности.

Решаемая задача - снижение удельного расхода энергии и повышение термодинамической эффективности цикла ожижения водорода в широком диапазоне регулирования производительности.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе ожижения водорода, включающем сжатие потока водорода, предварительное охлаждение газообразным и жидким азотом, изотермическую конверсию, охлаждение, адиабатную конверсию и сжижение водорода за счет рекуперативного теплообмена с частью потока гелия, выводимого из гелиевого холодильного цикла, и дросселирование потока водорода, а также сжатие гелия, охлаждение его жидким азотом, расширение части потока гелия в двух последовательно установленных турбодетандерах, отбор оставшейся части сжатого потока гелия из гелиевого холодильного цикла на охлаждение водорода и возврат его в холодильный гелиевый цикл, поток водорода сжимают с 0,1 МПа...1,6 МПа до 5,0 МПа, предварительно охлаждают до 273 К с помощью холодильной установки, до 80 К - жидким азотом с проведением изотермической конверсии на уровне 80 К, а от 80 К до 25 К - охлаждают гелием с проведением адиабатной конверсии водорода на уровне 30 К и 25 К, после чего осуществляют промежуточное дросселирование водорода с 5,0 МПа до 1,0 МПа...1,2 МПа, сжижение водорода гелием с проведением адиабатной конверсии на уровне 20 К...22 К и дросселирование до давления 0,03 МПа...0,05 МПа жидкого параводорода, кроме того, в гелиевом холодильном цикле гелий сжимают с 0,35 МПа до 2,5 МПа и после охлаждения жидким азотом большую часть от сжатого потока расширяют в двух последовательно установленных турбодетандерах до давления 0,35 МПа с понижением температуры до 28 К...30 К, при этом часть расширившегося потока отводят на охлаждение водорода давлением 5,0 МПа, а оставшуюся - меньшую часть сжатого потока гелия - охлаждают и расширяют в третьем турбодетандере до давления 0,35 МПа с понижением температуры гелия до 18 К...20 К, после чего его направляют на охлаждение потока водорода давлением 1,0 МПа...1,2 МПа до температуры 18,5 К...20,5 К, а при достижении температуры гелия 28 К...30 К его соединяют с потоком гелия, отобранным после второго турбодетандера, а затем проводят теплообмен с потоком водорода с давлением 5,0 МПа, при этом поток гелия разделяют на три части и возвращают в гелиевый цикл на трех температурных уровнях:

- на уровне 43 К...45 К возвращают первую часть;

- на уровне 53 К...56 К возвращают вторую часть;

- на уровне 78 К...78,5 К возвращают третью часть,

и кроме того, из гелиевого холодильного цикла выводят газообразный азот, соединяют с газообразным азотом водородного цикла и полученный в результате поток газообразного азота направляют на охлаждение потока водорода.

Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для ожижения водорода по предлагаемому способу, содержащее установленные по линии подачи водорода водородный компрессор, блок азотного охлаждения, состоящий из рекуперативного теплообменника, азотной ванны и изотермического конвертора, блок ожижения водорода, состоящий из каскада рекуперативных теплообменников с адиабатными конверторами, и дроссельный вентиль, а также гелиевый компрессор, гелиевый блок предварительного азотного охлаждения, состоящий из рекуперативного теплообменника и азотной ванны, гелиевый блок охлаждения, состоящий из каскада рекуперативных теплообменников, двух последовательно установленных турбодетандеров, имеющий основную криогенную линию подачи гелия на ожижение водорода и криогенную линию возврата гелия в гелиевый блок охлаждения, отличающееся тем, что оно снабжено в блоке азотного охлаждения и гелиевом блоке предварительного азотного охлаждения - холодильной установкой и дополнительным рекуперативным теплообменником, в блоке ожижения водорода - дополнительным дроссельным вентилем, при этом три адиабатных конвертора размещены поочередно после рекуперативных теплообменников, входящих в каскад, начиная с третьего, при этом дополнительный дроссельный вентиль установлен на линии подачи водорода после второго адиабатного конвертора, а дроссельный вентиль - на выходе из последнего рекуперативного теплообменника каскада, в гелиевом блоке охлаждения - третьим турбодетандером, который размещен на основной криогенной линии подачи гелия на ожижение водорода, а также дополнительным криогенным трубопроводом подачи гелия на ожижение водорода, установленным между вторым турбодетандером и входом гелия в третий рекуперативный теплообменник каскада блока ожижения водорода, а криогенную линию возврата в гелиевый блок охлаждения разделяют на три части, которые расположены:

- между выходом гелия из третьего теплообменника каскада блока ожижения водорода и четвертым теплообменником гелиевого блока охлаждения;

- между выходом гелия из второго теплообменника каскада блока ожижения водорода и третьим теплообменником гелиевого блока охлаждения;

- между выходом гелия из первого теплообменника каскада блока ожижения водорода и рекуперативным теплообменником гелиевого блока предварительного азотного охлаждения,

а к выходу газообразного азота из азотной ванны блока азотного охлаждения подведен азотный трубопровод от азотной ванны гелиевого блока предварительного азотного охлаждения, и, кроме того, водородный компрессор выполнен дожимающим, а гелиевый компрессор выполнен с регулируемым давлением на входе.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а следовательно, оно соответствует критерию «новизна» и «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняет фиг.1, где показана схема ожижителя водорода с гелиевым холодильным циклом, и фиг.2, где отражен процесс организации и осуществления теплообмена между потоком водорода и потоком охлаждающего гелия.

Ожижитель водорода состоит из компрессора 1 для сжатия водорода, блока азотного охлаждения 2, который включает дополнительный рекуперативный теплообменник 3, холодильную установку 4, рекуперативный теплообменник 5, азотную ванну 6 с изотермическим конвертором 7, блока ожижения водорода 8, который включает каскад из пяти рекуперативных теплообменников 9...13, в том числе и концевой теплообменник 13, три адиабатных конвертора 14, 15, 16, установленных после каждого теплообменника, начиная с третьего теплообменника, дополнительный дроссельный вентиль 17, установленный после второго адиабатного конвертора 15, концевой дроссельный вентиль 18, установленный после концевого теплообменника 13, а также из гелиевого компрессора 19, гелиевого блока предварительного азотного охлаждения 20, который включает дополнительный рекуперативный теплообменник 21, холодильную установку 22, рекуперативный теплообменник 23, азотную ванну 24, гелиевого блока охлаждения 25, который включает рекуперативные теплообменники 26...29, два последовательно установленных турбодетандера 30, 31 и третий турбодетандер 32, а также шести межблочных трубопроводов связи, а именно:

- основного криогенного трубопровода 33 подачи потока гелия в концевой теплообменник 13 после третьего турбодетандера 32;

- дополнительного криогенного трубопровода 34 подачи части потока гелия после второго турбодетандера 31 в теплообменник 11;

- первого криогенного трубопровода 35 возврата гелия после теплообменника 11 в теплообменник 28;

- второго криогенного трубопровода 36 возврата гелия после теплообменника 10 в теплообменник 27;

- третьего криогенного трубопровода 37 возврата гелия после теплообменника 9 в теплообменник 23;

- трубопровода 38 подачи паров азота из азотной ванны 24 в трубопровод 39 отвода паров азота из азотной ванны 6.

Способ ожижения водорода осуществляется следующим образом.

Поток водорода сжимают с 0,1 МПа...1,6 МПа до 5,0 МПа, предварительно охлаждают до 273 К с помощью холодильной установки, до 80 К - жидким азотом с проведением изотермической конверсии на уровне 80 К, а от 80 К до 25 К - охлаждают гелием с проведением адиабатной конверсии водорода на уровне 30 К и 25 К, после чего осуществляют промежуточное дросселирование водорода с 5,0 МПа до 1,0 МПа...1,2 МПа, сжижение водорода гелием с проведением адиабатной конверсии на уровне 20 К...22 К и дросселирование до давления 0,03 МПа...0,05 МПа жидкого параводорода, кроме того, в гелиевом холодильном цикле гелий сжимают с 0,35 МПа до 2,5 МПа и после охлаждения жидким азотом большую часть от сжатого потока расширяют в двух последовательно установленных турбодетандерах до давления 0,35 МПа с понижением температуры до 28 К...30 К, при этом часть расширившегося потока отводят на охлаждение водорода давлением 5,0 МПа, а оставшуюся - меньшую часть сжатого потока гелия - охлаждают и расширяют в третьем турбодетандере до давления 0,35 МПа с понижением температуры гелия до 18 К...20 К, после чего его направляют на охлаждение потока водорода давлением 1,0 МПа...1,2 МПа до температуры 18,5 К...20,5 К, а при достижении температуры гелия 28 К...30 К его соединяют с потоком гелия, отобранным после второго турбодетандера, а затем проводят теплообмен с потоком водорода с давлением 5,0 МПа, при этом поток гелия разделяют на три части и возвращают в гелиевый цикл на трех температурных уровнях:

- на уровне 43 К...45 К возвращают первую часть;

- на уровне 53 К...56 К возвращают вторую часть;

- на уровне 78 К...78,5 К возвращают третью часть,

и кроме того, из гелиевого холодильного цикла выводят газообразный азот, соединяют с газообразным азотом водородного цикла и полученный в результате поток газообразного азота направляют на охлаждение потока водорода.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом.

Поток водорода сжимается в дожимающем компрессоре 1 с давления 0,1 МПа...1,6 МПа до давления 5,0 МПа и поступает в блок азотного охлаждения 2, где предварительно охлаждается от 300 К до 280 К в дополнительном теплообменнике 3 за счет холода отходящих паров азота, затем от 280 К до 273 К с помощью холодильной установки 4, а от 273 К до 80 К охлаждение осуществляется за счет паров азота в рекуперативном теплообменнике 5 и жидкого азота в ванне 6, где содержание параводорода после изотермического конвертора 7 увеличивается с 25% до 55%. Далее поток с давлением 5,0 МПа последовательно проходит рекуперативные теплообменники 9, 10, 11, 12 и два адиабатных конвертора 14 и 15, где водород охлаждается за счет газообразного гелия до 25 К, при этом содержание параводорода повышается до 94-95%. После конвертора 15 давление водорода снижается с помощью промежуточного дроссельного вентиля 17 до 1,0 МПа...1,2 МПа, и он за счет потока гелия с температурой 18...20 К охлаждается и сжижается в теплообменниках 12 и 13, при этом значение параводорода после прохождения конвертора 16 составляет 98%. Далее поток водорода дросселируется с помощью дроссельного вентиля 18 до давления 0,05 МПа...0,1 МПа и отводится в виде жидкого продукта. Охлаждение, ожижение и превращение водорода в параводород в диапазоне температур от 80 К до 20 К производится за счет гелия, необходимый холод которого создается в гелиевом холодильном цикле. В номинальном режиме работы гелий сжимается в компрессоре 19 с давления 0,35 МПа до 2,5 МПа, далее он охлаждается в гелиевом блоке предварительного азотного охлаждения 20 от 300 К до 80 К за счет рекуперации холода обратного потока гелия в дополнительном теплообменнике 21, рекуперативном теплообменнике 23, а также холода холодильной установки 22 и скрытой теплоты азота в азотной ванне 24, при этом пары азота из ванны 24 отводятся по трубопроводу 38 и соединяются с парами азота, отходящими по трубопроводу 39 из азотной ванны 6. После азотной ванны 24 гелий с температурой 80 К и давлением 2,5 МПа поступает в гелиевый блок охлаждения 25, где после теплообменника 26 большая часть (65%...70%) от сжатого потока гелия расширяется в двух последовательно установленных турбодетандерах 30 и 31 с 2,5 МПа до 0,35 МПа с понижением температуры до 28...30 К, при этом часть расширившегося потока, равную 17,5%...18,5% от сжатого потока, по дополнительному криогенному трубопроводу 34 отводят в блок ожижения водорода 8, а оставшийся поток поступает в теплообменники 29...21. Другая же - меньшая (30%...35%) часть сжатого гелия - после охлаждения в теплообменниках 27...29 поступает в третий турбодетандер 32, где расширяется с 2,5 МПа до 0,35 МПа с понижением температуры до 18...20 К и по основному криогенному трубопроводу 33 отводится в теплообменник 13. Отдав свой холод потоку водорода давлением 1,0 МПа...1,2 МПа поток гелия нагревается до 28...30 К и соединяется с потоком гелия, отведенным от второго турбодетандера 31. Далее гелий последовательно нагревается в теплообменниках 11, 10, 9 до 78 К...78,5 К, при этом при температуре 43 К...45 К часть потока, равная 17%...18% от сжатого потока гелия, после теплообменника 11 из блока ожижения водорода 8 возвращается по первому криогенному трубопроводу 35 в теплообменник 28 гелиевого блока охлаждения 25, еще 8%...9% гелия от величины сжатого потока возвращаются при температуре 53 К...56 К по второму криогенному трубопроводу 36 после теплообменника 10 в теплообменник 27, а оставшийся поток гелия (22%...25% от величины сжатого потока) после теплообменника 9 по третьему криогенному трубопроводу 37 возвращают в теплообменник 23 гелиевого блока предварительного азотного охлаждения 20.

На фиг.2 приведена Q-T диаграмма, в которой графически отражен процесс организации теплообмена в блоке ожижения 8 (в диапазоне температур от 80 К до 20 К) между водородом и гелием с учетом их реальных теплофизических свойств. Как видно из графика, характер изменения разности температур в указанном диапазоне близок к оптимальному закону теплообмена для криогенных циклов, что позволяет минимизировать внутренние потери от необратимости рекуперативного теплообмена.

В предлагаемом устройстве оптимизация процесса теплообмена в блоке ожижения 8 между потоками достигается следующими способами:

- в диапазоне температур от 19 К до 30 К средняя разность температур 0,75 К достигается за счет промежуточного дросселирования потока водорода с 5,0 МПа до 1,0 МПа...1,2 МПа (пунктирной линией показан характер изменения разности температур без промежуточного дросселирования потока водорода);

- в диапазоне температур от 30 К до 43 К разность температур между теплообменивающими потоками - 0,5 К и обеспечивается за счет потока гелия, поступающего после второго турбодетандера 31 и соединяемого с потоком гелия, выходящего из теплообменника 12;

- в диапазоне от 43 К до 55 К разность температур в 0,5 К сохраняется за счет отвода части гелия с температурой 43 К...45 К в гелиевый блок охлаждения 25;

- в диапазоне от 55 К до 80 К средняя разность температур 2 К обеспечивается за счет нового отбора части гелия с температурой 55 К (пунктиром показан характер изменения разности температур без отбора гелия).

Кроме того, высокая термодинамическая эффективность предложенного способа и устройства ожижения водорода обусловлено не только минимальными потерями от внутреннего теплообмена между потоком водорода и охлаждающим гелием, но за счет высокоэффективного гелиевого цикла, включающего ступень предварительного охлаждения холодильной установки, ступень предварительного азотного охлаждения, три турбодетандерных ступени охлаждения с адиабатным КПД более 75%, оптимальных условий теплообмена между потоком гелия за счет организации возврата гелия из водородного цикла.

Как показывают расчеты предложенного способа ожижения водорода удельный расход энергии составляет от 12,5...14,5 кВт·ч/кг жидкого водорода в зависимости от типа компрессора, а термодинамический КПД с учетом ортопараконверсии - от 30% до 34,5%.

Проведенный сравнительный термодинамический анализ показал, что предложенный способ ожижения и устройство для его осуществления позволяют снизить на 8%...10% удельные затраты электроэнергии по сравнению с ожижителем водорода, в котором используется в качестве источника охлаждения внешний водородный цикл.

Другое преимущество предлагаемого способа и устройства заключается в том, что они позволяют регулировать в широком диапазоне холодопроизводительность гелиевого цикла (от 100 до 50%) при сохранении высокой термодинамической эффективности за счет изменения абсолютного давления на всасывании от 0,35 МПа до 0,10 МПа при сохранении степени сжатия и расширения в компрессоре и турбодетандерах. Это дает возможность легко регулировать режим работы гелиевого цикла охлаждения при изменении расхода сжижаемого водорода и дает основание считать, что предложенное изобретение «промышленно применимо».

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает снижение расхода энергии и повышение термодинамической эффективности в широком диапазоне изменения производительности по жидкому водороду.

Изобретение может быть использовано при создании водородных ожижителей средней и крупной производительности. Способ включает сжатие продукционного потока водорода, предварительные ступени охлаждения с помощью холодильной установки и жидкого азота, охлаждение гелием с проведением адиабатной конверсии, промежуточное дросселирование, сжижение водорода гелием с проведением адиабатной конверсии и дросселирование жидкого параводорода. В гелиевом холодильном цикле гелий сжимают и после охлаждения жидким азотом большую часть от сжатого потока расширяют в двух последовательно установленных турбодетандерах с понижением температуры, при этом часть расширившегося потока отводят на охлаждение водорода, а оставшуюся - меньшую часть сжатого потока гелия - охлаждают и расширяют в третьем турбодетандере с понижением температуры гелия, после чего его направляют на охлаждение потока водорода и затем соединяют с потоком гелия, отобранным после второго турбодетандера, а затем проводят теплообмен с потоком водорода, при этом поток гелия разделяют на три части и возвращают в гелиевый цикл на трех температурных уровнях. Техническим результатом является снижение удельного расхода энергии и повышение термодинамической эффективности цикла ожижения водорода в широком диапазоне регулирования производительности. 2 н.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ сжижения водорода с гелиевым холодильным циклом, включающий сжатие потока водорода, предварительное охлаждение газообразным и жидким азотом, изотермическую конверсию, а также охлаждение, адиабатную конверсию и сжижение водорода за счет рекуперативного теплообмена с частью потока гелия, выводимого из гелиевого холодильного цикла, и дросселирование потока водорода, а также сжатие гелия, охлаждение его жидким азотом, расширение части потока гелия в двух последовательно установленных турбодетандерах, отбор оставшейся части сжатого потока гелия из гелиевого холодильного цикла на охлаждение водорода и возврат его в холодильный гелиевый цикл, отличающийся тем, что поток водорода сжимают с 0,1 ...1,6 МПа до 5,0 МПа, предварительно охлаждают до 273 К с помощью холодильной установки, до 80 К - жидким азотом с проведением изотермической конверсии на уровне 80 К, а от 80 до 25 К охлаждают гелием с проведением адиабатной конверсии водорода на уровне 30 и 25 К, после чего осуществляют промежуточное дросселирование водорода с 5,0 МПа до 1,0 ...1,2 МПа, сжижение водорода гелием с проведением адиабатной конверсии на уровне 20 ...22 К и дросселирование до давления 0,03 ...0,05 МПа жидкого параводорода, кроме того, в гелиевом холодильном цикле гелий сжимают с 0,35 до 2,5 МПа и после охлаждения жидким азотом большую часть от сжатого потока расширяют в двух последовательно установленных турбодетандерах до давления 0,35 МПа с понижением температуры до 28 ...30 К, при этом часть расширившегося потока отводят на охлаждение водорода давлением 5,0 МПа, а оставшуюся - меньшую часть сжатого потока гелия - охлаждают и расширяют в третьем турбодетандере до давления 0,35 МПа с понижением температуры гелия до 18 ...20 К, после чего его направляют на охлаждение потока водорода давлением 1,0 ...1,2 МПа до температуры 18,5 ...20,5 К, а при достижении температуры гелия 28 ...30 К его соединяют с потоком гелия, отобранным после второго турбодетандера, а затем проводят теплообмен с потоком водорода с давлением 5,0 МПа, при этом поток гелия разделяют на три части и возвращают в гелиевый цикл на трех температурных уровнях:

на уровне 43...45 К возвращают первую часть;

на уровне 53...56 К возвращают вторую часть;

на уровне 78...78,5 К возвращают третью часть и, кроме того, из гелиевого холодильного цикла выводят газообразный азот, соединяют с газообразным азотом водородного цикла и полученный в результате поток газообразного азота направляют на охлаждение потока водорода.

между выходом гелия из третьего теплообменника каскада блока ожижения водорода и четвертым теплообменником гелиевого блока охлаждения;

между выходом гелия из второго теплообменника каскада блока ожижения водорода и третьим теплообменником гелиевого блока охлаждения;

между выходом гелия из первого теплообменника каскада блока ожижения водорода и рекуперативным теплообменником гелиевого блока предварительного азотного охлаждения,

а к выходу газообразного азота из азотной ванны блока азотного охлаждения подведен азотный трубопровод от азотной ванны гелиевого блока предварительного азотного охлаждения, и, кроме того, водородный компрессор выполнен дожимающим, а гелиевый компрессор выполнен с регулируемым давлением на входе.