КРИОГЕННЫЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ОБРАБОТКЕ СЖИЖЕННОГО ГАЗА Российский патент 2022 года по МПК F17C9/04 B63B25/16 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к тепловому насосу для криогенного применения и его использованию для обработки сжиженного газа, например, на судне для транспортировки сжиженного природного газа. Изобретение также относится к устройству обработки сжиженного газа, к судну, содержащему такое устройство, и к способам обработки. Под обработкой следует понимать, например, охлаждение и/или повторный нагрев сжиженного газа. Кроме того, сжиженный газ может представлять собой сжиженный природный газ, в основном содержащий метан, или другой сжиженный газ, например, этан, пропан, бутан, сжиженный углеводородный газ и т.д.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известный уровень техники содержит документы US 9261295 B1, US 6591618 B1 и US 2008/302113 A1.

Для облегчения транспортировки газа, например, природного газа, на большие расстояния, газ, как правило, сжижают (превращая его в сжиженный природный газ - СПГ) путем охлаждения до криогенных температур, например, до -163°C при атмосферном давлении. Затем сжиженный газ загружают на специализированные суда.

На судне для транспортировки сжиженного газа, например, на танкере-метановозе, предусмотрены машины для удовлетворения потребностей в энергии, необходимой для работы судна, в частности, для приведения в движение судна и/или выработки электроэнергии для бортового оборудования. Такие машины, как правило, представляют собой тепловые машины, которые потребляют газ, получаемый на основе груза в виде сжиженного газа, перевозимого в резервуарах судна.

Чтобы ограничить испарение сжиженного газа из резервуаров, известно, что его следует хранить под давлением таким образом, чтобы он оставался на кривой равновесного однократного испарения рассматриваемого сжиженного газа, что повышает температуру его испарения. Таким образом, сжиженный газ может храниться при более высоких температурах, что ограничивает испарение газа.

Однако естественное испарение газа неизбежно, это явление известно как ОГЕИ (NBOG), что является аббревиатурой для выражения отпарной газ естественного испарения (Natural Boil-Off Gas) (в отличие от принудительного испарения газа или ОГПИ (FBOG), аббревиатура для выражения отпарной газ принудительного испарения (Forced Boil-Off Gas)). Газ, который испаряется в резервуаре судна естественным образом, как правило, используют для питания вышеуказанных машин. В случае (первый случай), когда количество газа, испаренного естественным образом, недостаточно для удовлетворения потребностей машин в отношении топливного газа, приводят в действие насос, погруженный в резервуар, для подачи большего количества топливного газа после принудительного испарения. В случае (второй случай), когда количество испаренного газа слишком велико по сравнению с потребностями машин, избыточный газ, как правило, сжигают в котле, что приводит к потере топливного газа.

В существующем уровне техники улучшения, касающиеся резервуаров, таковы, что скорости естественного испарения (или СООГ (BOR), аббревиатура для выражения скорость образования отпарного газа (Boil-Off Rate)) сжиженных газов становятся все более низкими, тогда как судовые машины становятся все более эффективными. Это означает, что в каждом из первого и второго вышеописанных случаев расхождение между количеством газа, образующегося в результате естественного испарения, и количеством газа, необходимого для устройства судна, очень велико.

В связи с этим растет интерес к решениям, связанным с охлаждением сжиженного газа, содержащегося в резервуаре для хранения, и контролем отпарного газа, образующегося в этом резервуаре, таким как, например, блоки повторного сжижения или охлаждения.

Настоящее изобретение, в частности, предлагает решение этой проблемы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к криогенному тепловому насосу для устройства обработки сжиженного газа, содержащему в замкнутом контуре по меньшей мере один компрессор, по меньшей мере один расширительный клапан, первый контур приема холода, проходящий между указанным по меньшей мере одним компрессором и указанным по меньшей мере одним расширительным клапаном, и второй контур передачи холода, проходящий между указанным по меньшей мере одним расширительным клапаном и указанным по меньшей мере одним компрессором, причем указанный замкнутый контур содержит криогенную текучую среду, выполненную с возможностью нахождения в двухфазном состоянии, в по меньшей мере части этого контура, причем указанный второй контур передачи холода выполнен с возможностью осуществления циркуляции указанной текучей среды при температуре, меньшей или равной -40°C.

В настоящей заявке под «криогенной» следует понимать очень низкую температуру и, в частности, температуру ниже -40°C или ниже -90°C и предпочтительно ниже -160°C. Таким образом, криогенная текучая среда или криогенный тепловой насос представляют собой текучую среду или насос, выполненные с возможностью нахождения или работы при такой низкой температуре.

Температура, которая меньше или равна -40°C, являющаяся объектом изобретения, представляет собой температуру криогенной текучей среды теплового насоса и измеряется или оценивается непосредственно на выходе контура передачи холода.

Тепловой насос представляет собой блок, который широко известен сам по себе, но не для криогенного применения. Обычно тепловой насос содержит в замкнутом контуре компрессор, расширительный клапан и теплообменные контуры, проходящие между компрессором и расширительным клапаном. Компрессор сжимает теплоноситель с низкой температурой или криогенную текучую среду, что повышает ее температуру, причем повторно нагретая текучая среда способна передавать свое тепло в один из вышеуказанных контуров. На выходе из контура текучая среда расширяется в расширительном клапане, что снижает ее температуру, причем охлажденная текучая среда способна поглощать тепло в других контурах, после чего она повторно подается в компрессор.

Изобретение предлагает использовать известную технологию, предусматривая использование криогенной текучей среды и конфигурирование различных составляющих элементов насоса так, чтобы один из контуров, называемый первым контуром, представлял собой контур приема холода и, следовательно, контур повторного нагрева (текучая среда, циркулирующая в этом контуре, имеет температуру, например, превышающую -160°C и, например, составляющую от -115°C до 45°C), а другой из контуров, называемый вторым контуром, представлял собой контур передачи холода, который может осуществлять переохлаждение и небольшой повторный нагрев. Текучая среда, циркулирующая во втором контуре, имеет температуру, например, от -169°C до -161°C в случае контура переохлаждения и температуру от -165°C до -160°C в случае контура небольшого повторного нагрева. Таким образом, текучая среда циркулирует в этом контуре при температуре, меньшей или равной -160°C. Это имеет место в случае, когда охлаждаемая текучая среда представляет собой СПГ, состоящий в основном из метана. В случае, когда охлаждаемый СПГ состоит в основном из этана, криогенная текучая среда циркулирует во втором контуре при температуре, меньшей или равной -90°C. В случае, когда охлаждаемый СПГ состоит в основном из пропана и бутана, криогенная текучая среда циркулирует во втором контуре при температуре, меньшей или равной -40°C.

Насос в соответствии с изобретением может содержать один или более следующих признаков, взятых отдельно друг от друга или в сочетании друг с другом:

- указанный первый контур выполнен с возможностью осуществления циркуляции указанной текучей среды от указанного по меньшей мере одного компрессора до указанного по меньшей мере одного расширительного клапана,

- указанный второй контур выполнен с возможностью осуществления циркуляции указанной текучей среды от указанного по меньшей мере одного расширительного клапана до указанного по меньшей мере одного компрессора,

- выход указанного первого контура и расширительный клапан, с одной стороны, и выход указанного второго контура и компрессор, с другой стороны, соединены по меньшей мере третьим и четвертым контурами взаимного теплообмена,

- выход указанного четвертого контура соединен десятым контуром с указанным компрессором, причем десятый контур выполнен с возможностью передачи холода в указанный первый контур,

- указанные контуры являются частью одного и того же теплообменника или двух или трех разных теплообменников,

- указанная криогенная текучая среда выбрана из азота, метана, кислорода, этана, этилена, бутана, изобутана, пропана, изопропана, аргона или смеси этих газов,

- указанный компрессор выполнен с возможностью сжатия газа, предназначенного для подачи газа в по меньшей мере одну машину указанного судна, причем указанный компрессор также соединен через клапаны с контурами и указанной по меньшей мере одной машиной для предоставления возможности отключения его от машины, когда он работает в отношении теплового насоса, и отключения его от теплового насоса, когда он работает в отношении указанной по меньшей мере одной машины,

- указанный первый контур приема холода выполнен с возможностью иметь на входе температуру криогенной текучей среды, меньшую или равную -90°C и предпочтительно меньшую или равную -160°C, и/или на выходе температуру, большую или равную 0°C и предпочтительно большую или равную 25°C,

- указанный второй контур передачи холода выполнен с возможностью иметь на выходе температуру криогенной текучей среды, меньшую или равную -90°C и предпочтительно меньшую или равную -160°C.

Настоящее изобретение также относится к устройству обработки сжиженного газа, включающему насосную систему, предназначенную для перекачки сжиженного газа, погруженную в резервуар для хранения указанного сжиженного газа, и по меньшей мере один насос, описанный выше, первый контур приема холода которого выполнен с возможностью нагрева пятого контура для повторного нагрева отпарного газа естественного испарения, предназначенного для соединения с выходом отпарного газа естественного испарения указанного резервуара, и/или шестого контура для повторного нагрева сжиженного газа, соединенного с указанной насосной системой, и второй контур передачи холода которого выполнен с возможностью охлаждения или подогрева седьмого контура сжиженного газа, соединенного с указанной насосной системой.

В настоящей заявке под обработкой сжиженного газа следует понимать, например, охлаждение и/или повторный нагрев сжиженного газа. Под теплообменом следует понимать прием или передачу тепла, а также прием или передачу холода.

Изобретение позволяет добиться значительной экономии энергии, поскольку повторный нагрев ОГ и охлаждение или повторный нагрев СПГ осуществляются тепловым насосом, который более эффективен, чем блоки известные в настоящее время и используемые для выполнения этих функций. Например, изобретение позволяет отказаться от использования морской воды для охлаждения ОГ перед его использованием машинами судна.

Устройство в соответствии с изобретением может содержать один или более следующих признаков, взятых отдельно друг от друга или в сочетании друг с другом:

- выход указанного седьмого контура предназначен для соединения со входом сжиженного газа указанного резервуара и предпочтительно с по меньшей мере одной распылительной штангой для сжиженного газа в верхней части резервуара и/или с по меньшей мере одним средством подачи указанного сжиженного газа на дне резервуара,

- выход указанного пятого контура и/или выход указанного шестого контура соединены с по меньшей мере одним компрессором, предназначенным для подачи газа в по меньшей мере одну машину судна для транспортировки сжиженного газа, такую как, например, двигатель, приводящий в движение указанное судно, электрогенератор и/или котел,

- выход указанного компрессора, выполненного с возможностью подачи газа в по меньшей мере одну машину, соединен с восьмым теплообменным контуром посредством указанного первого контура, и/или указанного пятого контура, и/или указанного шестого контура,

- выход указанного восьмого контура соединен со входом девятого теплообменного контура посредством указанного второго контура и/или указанного седьмого контура,

- указанный по меньшей мере один компрессор соединен через клапаны соответственно с выходом пятого контура и/или шестого контура и с указанной по меньшей мере одной машиной и через клапаны соответственно с первым и вторым контурами,

- указанный по меньшей мере один компрессор непосредственно соединен со входом одиннадцатого контура, выполненного с возможностью теплообмена с указанным вторым контуром и/или указанным седьмым контуром,

- указанные контуры являются частью одного и того же теплообменника или нескольких разных теплообменников,

- устройство содержит теплообменник, содержащий по меньшей мере или только лишь указанные первый, пятый и десятый контуры,

- устройство содержит теплообменник, содержащий по меньшей мере или только лишь указанные третий и четвертый контуры,

- устройство содержит теплообменник, содержащий по меньшей мере или только лишь указанные второй и седьмой контуры,

- тепловой насос выполнен так, что на выходе указанного расширительного клапана криогенная текучая среда имеет температуру по меньшей мере на 3°C ниже, чем температура сжиженного газа, поступающего в указанный седьмой контур.

Настоящее изобретение также относится к судну для транспортировки сжиженного газа, включающему по меньшей мере один резервуар для хранения газа и устройство, описанное выше.

Настоящее изобретение также относится к способу охлаждения и/или повторного нагрева сжиженного газа, хранящегося на судне, описанном выше, включающему этапы, на которых:

a) извлекают сжиженный газ из резервуара и осуществляют его циркуляцию в указанном седьмом контуре для изменения его температуры, затем

b) повторно подают сжиженный газ в резервуар в верхней части и/или на дне резервуара.

Способ в соответствии с изобретением может содержать один или более следующих признаков или этапов, взятых отдельно друг от друга или в сочетании друг с другом:

c) извлекают отпарной газ естественного испарения из резервуара и осуществляют его циркуляцию в указанном пятом контуре для повышения его температуры, и

d) извлекают сжиженный газ из резервуара и осуществляют его циркуляцию в указанном шестом контуре для испарения и повышения его температуры,

и/или

e) подают в указанный по меньшей мере один компрессор, выполненный с возможностью подачи газа в по меньшей мере одну машину указанного судна, газ, выходящий из указанного пятого контура и/или из указанного шестого контура, и

f) возможно, отбирают часть газа на выходе указанного по меньшей мере одного компрессора и осуществляют циркуляцию этого газа в указанном восьмом контуре или в указанном девятом контуре для его охлаждения,

и/или

g) осуществляют циркуляцию газа, выходящего из указанного восьмого контура, в указанном девятом контуре для его охлаждения.

В соответствии с первым режимом работы этапы a), b), c) и d) выполняют одновременно, когда указанное судно имеет высокую скорость, соответствующую, например, скорости, превышающей заданное пороговое значение, причем сжиженный газ повторно подают на дно резервуара на этапе b).

В соответствии со вторым режимом работы этапы a), b) и c) выполняют одновременно, когда указанное судно имеет крейсерскую скорость, соответствующую, например, крейсерской скорости, причем сжиженный газ повторно подают на дно резервуара на этапе b).

В соответствии с третьим режимом работы этапы a), b) и c) выполняют одновременно, когда указанное судно имеет низкую скорость, соответствующую, например, скорости меньше заданного порогового значения, причем сжиженный газ повторно подают в верхнюю часть резервуара на этапе b).

В соответствии с четвертым режимом работы этапы a), b), c), e), f) и g) выполняют одновременно, когда указанное судно имеет низкую скорость, соответствующую, например, скорости значительно меньше заданного порогового значения, причем сжиженный газ циркулирует в указанном седьмом контуре для повторного нагрева и смешивания с газом, выходящим из указанного девятого контура, перед подачей в резервуар на этапе b) предпочтительно на дно резервуара.

В соответствии с пятым режимом работы этапы a), b), c) и e) выполняют одновременно, когда указанное судно имеет низкую скорость, соответствующую, например, скорости значительно меньше заданного порогового значения, причем сжиженный газ повторно подают в верхнюю часть резервуара на этапе b).

Способ также может включать:

- этап, на котором используют по меньшей мере один компрессор для сжатия газа для подачи газа в по меньшей мере одну машину судна, и

- этап, на котором используют тот же по меньшей мере один компрессор для сжатия криогенной текучей среды в тепловом насосе.

Настоящее изобретение также относится к способу обработки газа в устройстве для хранения газа, в частности, на борту судна, причем способ включает следующие этапы, на которых:

- извлекают часть первого газа в сжиженном состоянии из резервуара,

- осуществляют первое переохлаждение части первого газа в жидком состоянии, и

- хранят первый газ в переохлажденном жидком состоянии в нижней части резервуара, для образования холодного резервного слоя первого газа в жидком состоянии на дне резервуара.

Способ в соответствии с изобретением может содержать один или более следующих признаков или этапов, взятых отдельно друг от друга или в сочетании друг с другом:

- первый газ, хранящийся в холодном резервном слое резервуара, используют для охлаждения первого газа в парообразном состоянии, находящегося в верхней части резервуара, и первого газа в жидком состоянии,

- первый газ, хранящийся в холодном резервном слое, распыляют в резервуаре и в слое первого газа в парообразном состоянии,

- первый газ, хранящийся в холодном резервном слое, извлекают со дна резервуара и повторно сжижают первый газ в парообразном состоянии посредством теплообменника,

- указанная нижняя часть продолжается приблизительно менее чем на 30% высоты резервуара, измеренной от дна, причем указанное дно представляет собой самый нижний конец резервуара,

- первый переохлажденный газ хранят в холодном резервном слое при температуре от -45° до -55°C при атмосферном давлении,

- первый газ в жидком состоянии, оставшийся в резервуаре, имеет температуру выше -42°C,

- первый газ представляет собой сжиженный природный газ.

Настоящее изобретение также относится к системе обработки газа в устройстве для хранения газа, в частности, на борту судна, причем система включает:

- резервуар, в котором хранится первый газ в жидком состоянии,

- первый теплообменник, выполненный с возможностью осуществления первого переохлаждения первого газа, извлеченного из резервуара посредством первого трубопровода,

- первый трубопровод, выходящий в нижней части резервуара, для хранения первого переохлажденного газа на дне резервуара для образования холодного резервного слоя первого газа в жидком состоянии.

Система может содержать один или более следующих признаков, взятых отдельно друг от друга или в сочетании друг с другом:

- резервуар содержит выход, соединенный с первым концом трубопровода, причем трубопровод содержит второй конец, соединенный с распылительной штангой, установленной в верхней части резервуара,

- система содержит повторный нагреватель, установленный на втором трубопроводе, в котором циркулирует второй газ, повторно нагретый или испаренный в первом теплообменнике,

- первый газ представляет собой сжиженный природный газ.

Признаки и/или этапы способа и системы могут быть объединены с признаками других аспектов (тепловой насос, устройство и т.д.) изобретения, описанных выше.

Изобретение также относится к судну, в частности, судну для транспортировки сжиженного газа, включающему по меньшей мере одну систему вышеописанного типа.

Изобретение также относится к способу работы теплового насоса на судне, описанном выше, причем способ включает этап, на котором охлаждают криогенную текучую среду, предварительно сжатую компрессором теплового насоса,

- с одной стороны, за счет приема холода от отпарного газа, извлеченного из резервуара и циркулирующего в указанном пятом контуре, и

- с другой стороны, за счет приема холода от криогенной текучей среды, циркулирующей в указанном десятом контуре.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение станет более понятным, и другие детали, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными после прочтения следующего далее описания, приведенного в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

- Фигуры 1-20 иллюстрируют несколько вариантов выполнения изобретения, а

- Фигуры 21-22 иллюстрируют графики изменения температуры в зависимости от энтропии криогенной текучей среды, циркулирующей в тепловом насосе в соответствии с изобретением, и кривую насыщения сжиженного природного газа, который в данном случае в основном состоит из метана,

- Фигуры 23-24 иллюстрируют графики изменения температуры в зависимости от энтропии криогенной текучей среды, циркулирующей в тепловом насосе в соответствии с изобретением, и кривую насыщения сжиженного природного газа, который в данном случае в основном состоит из этана,

- Фигуры 25-26 иллюстрируют графики изменения температуры в зависимости от энтропии криогенной текучей среды, циркулирующей в тепловом насосе в соответствии с изобретением, и кривую насыщения сжиженного природного газа, который в данном случае в основном состоит из пропана или бутана, и

- Фигуры 27-34 иллюстрируют другие варианты выполнения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В изобретении используется криогенный тепловой насос, то есть блок, выполненный с возможностью передачи тепловой энергии при криогенных температурах, близких к температурам хранения СПГ.

Тепловой насос выполнен в виде замкнутого контура и обозначен ссылочной позицией 10 на разных чертежах. Тепловой насос 10 содержит четыре основных элемента, а именно по меньшей мере один компрессор 12, по меньшей мере один расширительный клапан 14, первый контур 16 приема холода, проходящий между компрессором и расширительным клапаном, и второй контур 18 передачи холода, проходящий между расширительным клапаном и компрессором.

Криогенная текучая среда, выбранная, например, из азота, метана и кислорода, этана, этилена, бутана, изобутана, пропана, изопропана, аргона или смеси этих газов, циркулирует в тепловом насосе. Предполагается, что текучая среда находится в контуре в газообразном состоянии или в двухфазном состоянии. Текучая среда циркулирует, например, в газообразном состоянии в компрессоре 12 и в первом контуре 16. Предпочтительно она находится в двухфазном состоянии на выходе расширительного клапана и во втором контуре 18.

Предполагается, что текучая среда доводится до криогенной температуры, то есть до очень низкой температуры ниже -160°C в случае, когда охлаждаемый СПГ в основном состоит из метана. Примеры, показанные на Фигурах 1-20, иллюстрируют изобретение в контексте СПГ, состоящего в основном из метана, но изобретение также применимо к СПГ, состоящему в основном или главным образом из этана, бутана и/или пропана.

Для повышения эффективности теплового насоса 10 последний может содержать другие теплообменные контуры 20, 22. Таким образом, выход первого контура 16 и расширительный клапан 14 соединены с третьим теплообменным контуром 20, а выход второго контура 18 и компрессор 12 соединены с четвертым теплообменным контуром 22.

Два контура 20, 22 могут быть частью одного и того же теплообменника E1 и выполнены с возможностью взаимного обмена калориями, причем текучая среда охлаждается при циркуляции в третьем контуре и повторно нагревается при циркуляции в четвертом контуре.

Аналогичным образом, как показано на Фигуре 8, первый контур 16 может быть встроен в теплообменник, содержащий контуры 20, 22. В этом случае контуры 16, 20 могут использоваться совместно и, следовательно, могут быть объединены. В варианте выполнения, показанном на Фигуре 9, второй контур 18 также встроен в теплообменник, содержащий контуры 16, 20, 22. В этом случае контуры 16, 20, с одной стороны, и контуры 18, 22, с другой стороны, используются совместно и объединены. В еще одном варианте, который не показан, второй контур 18 встроен в теплообменник, содержащий контуры 20, 22, а контур 16 остается удаленным и независимым.

Например, в варианте выполнения, показанном на Фигуре 3, криогенная текучая среда подвергается однократному теплообмену для повторного нагрева в контуре 22 теплообменника E1 перед сжатием в компрессоре 12. В отличие от этого, в варианте выполнения, показанном на Фигуре 9, криогенная текучая среда подвергается эквиваленту двукратного теплообмена для повторного нагрева в контурах 18, 22 одного теплообменника перед сжатием в компрессоре 12.

Фигуры 21-26 иллюстрируют преимущество использования дополнительных контуров 20, 22 в тепловом насосе 10.

На каждой из Фигур 21-26 изогнутая кривая (обозначенная ссылочной позицией C1 на Фигуре 21) представляет собой кривую насыщения СПГ, который в основном состоит из метана на Фигурах 21 и 22, этана на Фигурах 23 и 24 и смеси пропана и бутана на Фигурах 25 и 26.

Кривая, представляющая термодинамический цикл (обозначенная ссылочной позицией C2 или C2’ на Фигурах 21 и 22), иллюстрирует изменение температуры криогенной текучей среды, например, азота, в зависимости от энтропии. На Фигуре 21, а также на Фигурах 23 и 25, тепловой насос не содержит контуры 20, 22, а на Фигуре 22, а также на Фигурах 24 и 26, тепловой насос содержит такие контуры 20, 22. Установлено, что дополнительные контуры 20 и 22 позволяют изменять кривую гистерезиса. При данной энтропии охлаждение является более эффективным, если температура криогенной текучей среды, значительно ниже, чем температура охлаждаемого СПГ для той же энтропии на кривой насыщения СПГ. Что касается разных СПГ, перечисленных выше, установлено, что контуры 20, 22 в широком диапазоне значений энтропии позволяют гарантировать значительную разность температур между самой низкой температурой криогенной текучей среды на выходе расширительного клапана и температурой охлаждаемого СПГ. Эта разность температур предпочтительно составляет по меньшей мере 3°C. Чем больше разность температур, тем существеннее можно минимизировать расход текучей среды в тепловом насосе. В заключение, контуры 20, 22 повышают эффективность теплового насоса.

Используемый теплообменник или теплообменники представляют собой, например, кожухотрубные теплообменники, пластинчатые теплообменники и теплообменники другого типа.

Компрессор 12 имеет степень сжатия, например, от 10 до 20% и расход от 200 до 2000 м³/ч.

Расширительный клапан 14 имеет степень расширения, например, от 10 до 20% и расход от 200 до 2000 м³/ч. Расширительный клапан представляет собой, например, клапан Джоуля-Томсона.

В конкретном примерном варианте выполнения изобретения:

- температура на выходе компрессора составляет от 30 до 60°C, например, порядка 45°C,

- температура на выходе первого контура 16 составляет от -130°C до -100°C, например, порядка -115°C,

- температура на выходе расширительного клапана 14 составляет от -160°C до -200°C, например, порядка -170°C, и

- температура на выходе второго контура 18 составляет от -160°C до -200°C, например, порядка -170°C.

В примерном варианте выполнения, показанном на Фигуре 1, тепловой насос 10 установлен на судне для транспортировки сжиженного природного газа (СПГ), которое содержит по меньшей мере один резервуар 24 для хранения СПГ.

Как правило, резервуар 24 для хранения СПГ содержит СПГ в жидком состоянии и СПГ в газообразном состоянии, последний является результатом естественного испарения СПГ в резервуаре. Отпарной газ естественного испарения называется ОГ или ОГЕИ.

Резервуар 24 содержит выход 26 ОГ, локально расположенный в верхней части резервуара, где естественным образом скапливается ОГ. Резервуар также оснащен насосной системой, содержащей один или более насосов 28, 30, погруженных в СПГ. Резервуар 24 на Фигуре 1 оснащен насосом 28, а на Фигуре 2 оснащен двумя насосами 28, 30. Один или каждый насос соединен с выходом 32, 34 сжиженного газа резервуара.

В примерном варианте выполнения выход 26 ОГ соединен с пятым теплообменным контуром 36 посредством первого контура 16, а выход 32 СПГ соединен с седьмым теплообменным контуром 38 посредством второго контура 18.

С учетом вышеизложенного, следует понимать, что СПГ будет переохлаждаться или повторно нагреваться в контуре 38 в зависимости от температуры текучей среды в контуре 18. Например, в случае, когда СПГ на входе контура 38 имеет температуру от -165 до -161°C, на выходе он будет иметь температуру от -170 до -160°C. Также следует понимать, что ОГ, имеющий температуру от -140 до -120°C, например, порядка -120°C, может повторно нагреваться в контуре 36, например, до температуры от 0 до 45°C, например, порядка 25°C.

Температура СПГ в резервуаре может варьироваться от минимального значения (-165°C) до максимального значения (-161°C). Самый холодный СПГ естественным образом хранится на дне резервуара и представлен слоем 40 на дне резервуара. Один или каждый насос 28, 30 может откачивать СПГ из самого холодного слоя 40 или может быть расположен на дне резервуара, чтобы извлекать, насколько это возможно, максимально холодный СПГ.

В случае извлечения холодного СПГ при температуре, например, -165°C, этот СПГ может циркулировать в контуре 38 для охлаждения текучей среды в контуре 18 и, следовательно, повторного нагреваться от текучей среды в контуре 18. В случае извлечения менее холодного СПГ, например, при температуре -161°C, этот СПГ может циркулировать в контуре 38 для повторного нагрева текучей среды в контуре 18 и, следовательно, охлаждаться от текучей среды в контуре 18.

В случае, показанном на Фигуре 1, холодный СПГ извлекается из донного слоя 40 и слегка повторно нагревается за счет циркуляции в контуре 38. Он выходит при температуре, например, порядка -160°C и может быть повторно подан в резервуар 24.

Резервуар 24 также содержит по меньшей мере один вход 42 СПГ, соединенный с выходом седьмого контура 38, который также соединен в данном случае с распылительной штангой 44, расположенной внутри резервуара в его верхней части выше максимального уровня СПГ в резервуаре. Как известно, СПГ распыляют в жидком состоянии в ОГ в резервуаре для его повторного охлаждения и повторной конденсации/повторного сжижения.

В варианте выполнения, показанном на Фигуре 2, идентичные элементы обозначены теми же ссылочными позициями. Этот вариант отличается от предыдущего варианта по существу тем, что выход ОГ не показан. Второй насос, описанный выше, соединен с выходом 34 СПГ, который соединен с шестым теплообменным контуром 46 посредством первого контура 16.

Два насоса 28, 30 откачивают СПГ из самого холодного слоя 40 и расположены, например, на дне резервуара для извлечения СПГ из указанного слоя 40. В этом случае СПГ, подаваемый в контур 46, будет иметь температуру, меньшую или равную -160°C, и будет выходить из этого контура повторно нагретым до температуры от 0 до 45°C, например, порядка 25°C.

Вариант, показанный на Фигуре 3, иллюстрирует сочетание вариантов, показанных на Фигурах 1 и 2. В данном случае имеются два контура 36, 46, которые осуществляют теплообмен друг с другом и с первым контуром 16. Таким образом, понятно, что ОГ и СПГ, соответственно циркулирующие в контурах 36, 46, будут повторно нагреваться, тогда как текучая среда, циркулирующая в контуре 60, будет охлаждаться.

Фигура 4 иллюстрирует устройство для повторной конденсации СПГ на транспортном судне. ОГ, выходящий из контура 36, подается в компрессор 48, выполненный с возможностью подачи газа в по меньшей мере одну машину судна, такую как, например, двигатель, приводящий в движение указанное судно, электрогенератор и/или котел. Сжатый газ (ОГ), не использованный машинами, может быть охлажден и повторно сжижен перед повторной подачей в резервуар 24. Для повторного нагрева ОГ перед подачей в компрессор 48 и для охлаждения и повторного сжижения газа, выходящего из компрессора, перед его повторной подачей в резервуар 24 используется по меньшей мере один теплообменник E0.

Таким образом, устройство содержит восьмой теплообменный контур 50 с пятым контуром 36 теплообменника E0 и девятый теплообменный контур 52 с седьмым контуром 38.

Система повторной конденсации, показанная на Фигуре 4, содержит компрессор 48. На входе восьмого контура 50 сжиженный ОГ может иметь температуру от 20 до 60°C, например, порядка 45°C, а ОГ на входе девятого контура 52 может иметь температуру от -130°C до -90°C, например, порядка -110°C. На выходе девятого контура 52 повторно сжиженный ОГ может иметь температуру, меньшую или равную -160°C. Сжиженный газ может быть повторно подан на дно резервуара 24.

Вариант, показанный на Фигуре 5, представляет сочетание варианта, показанного на Фигуре 3, с устройством для повторной конденсации, показанной на Фигуре 4.

В примерном варианте выполнения используются три теплообменника E1, E2, E3, но их может быть больше или меньше. Первый теплообменник E1 является теплообменником теплового насоса. Во втором теплообменнике E2 взаимодействуют пятый контур 36, шестой контур 46, восьмой контур 50 и первый контур 16 для повторного нагрева ОГ перед подачей в компрессор 48 и охлаждения избыточного ОГ, то есть не использованного машиной судна. В третьем теплообменнике E3 взаимодействуют второй контур 18, седьмой контур 38 и девятый контур 52 для охлаждения ОГ, полученного выше, и для охлаждения или повторного нагрева СПГ, извлеченного из резервуара, как будет описано ниже.

Варианты, показанные на Фигурах 6 и 7, содержат четвертый теплообменник E4. В случае, показанном на Фигуре 6, четвертый теплообменник E4 содержит первый теплообменный контур 54, расположенный между выходом 34 СПГ и шестым контуром 46, и второй теплообменный контур 56, расположенный между выходом 32 СПГ и седьмым контуром 38. Выход 34 СПГ может быть соединен со входом первого теплообменного контура 54 через расширительный клапан. Теплообменник E2 содержит первый контур 16, пятый контур 36 и шестой контур 46, а теплообменник E3 содержит второй контур 18 и седьмой контур 38. Следует понимать, что СПГ, циркулирующий в первом теплообменном контуре 54, предварительно расширен и, следовательно, является более холодным, чем СПГ, циркулирующий во втором теплообменном контуре 56. Следовательно, СПГ в первом теплообменном контуре 54 будет повторно нагреваться теплообменником E4 перед достижением теплообменника E2, и, следовательно, СПГ в контуре 56 будет охлаждаться четвертым теплообменником E4 перед достижением третьего теплообменника E3.

Вариант, показанный на Фигуре 7, объединяет варианты, показанные на Фигурах 4 и 6. В этом новом варианте второй теплообменник E2 содержит пятый контур 36, шестой контур 46, восьмой контур 50 и первый контур 16, а третий теплообменник E3 содержит второй контур 18, седьмой контур 38 и девятый контур 52.

Фигуры 8 и 9 были описаны выше. Первый теплообменник E1 и второй теплообменник E2 объединены и образуют один компонент в варианте, показанном на Фигуре 8. В варианте выполнения, показанном на Фигуре 9, первый теплообменник E1, второй теплообменник E2 и третий теплообменник E3 образуют один компонент.

Варианты выполнения, показанные на Фигурах 10 и 11, иллюстрируют установку теплового насоса 10 на судне и использование теплового насоса 10 в отношении машин 58, 60 судна, таких как, например, двигатель 58, электрогенератор 60 и/или котел.

Второй теплообменник E2 относится к типу, показанному на Фигуре 1. Выход вышеуказанного пятого контура 36 в данном случае соединен с двумя компрессорами 48, питающими машины 58, 60.

Варианты, показанные на Фигурах 10 и 11, также иллюстрируют, что выход седьмого контура 38 или вход 42 резервуара 24 может быть оснащен трехходовым клапаном 62, один канал которого соединен с выходом седьмого контура 38, один канал соединен с распылительной штангой 44, и еще один канал соединен с системой подачи на дне резервуара.

Варианты, показанные на Фигурах 12 и 13, аналогичны вариантам, показанным на Фигурах 10 и 11. Второй теплообменник E2 в данном случае аналогичен таковому на Фигуре 5 тем, что он содержит восьмой контур 50, который на входе принимает газ, выходящий из компрессора или компрессоров 48. Третий теплообменник E3, показанный на Фигурах 12 и 13, аналогичен таковому на Фигуре 5.

Фигура 14 аналогична Фигуре 9 и дополнительно иллюстрирует рабочие температуры в конкретном случае варианта выполнения изобретения.

Далее следует описание пяти режимов работы судна и соответствующего теплового насоса.

Первый режим работы представлен на Фигурах 15a и 15b и соответствует случаю, когда скорость движения судна превышает заданное пороговое значение, которое составляет, например, 16 узлов. В этом случае в машины 58, 60 подается ОГ, который представляет собой ОГЕИ или ОГПИ и, следовательно, поступает из выхода 26 или выходов 26, 32 резервуара 24. В данном случае для переохлаждения СПГ используется криогенная энергия теплового насоса. Этот режим позволяет оптимизировать потребление энергии судном для работы его машин.

ОГ естественным образом образуется в резервуаре 24 и выходит из резервуара для подачи в пятый контур 36, а также компрессоры 48 и машины. Резервуар 24 может быть оснащен датчиком давления для измерения давления ОГ в резервуаре и, таким образом, для обнаружения превышения заданного порогового значения. Как правило, давление в резервуаре 24 составляет от 80 до 150 бар изб. В первом режиме работы давление в резервуаре является средним и может составлять порядка 100 бар изб.

Если скорость судна очень велика, и потребности в газообразном СПГ превышают количество ОГ, образующегося естественным образом, можно реализовать принудительное образование ОГ и, таким образом, получить ОГПИ. Затем, СПГ извлекается из выхода 34 резервуара и направляется в шестой контур 46. В пятом контуре 36 и шестом контуре 46 ОГ и СПГ нагреваются первым контуром 16 теплового насоса и находятся в полностью газообразном состоянии при температуре, близкой к температуре окружающей среды на входе компрессоров 48. Компрессоры 48 повышают давление газа для потребностей машин. Параллельно второй контур 18 теплового насоса 10 используется для охлаждения СПГ, извлеченного через выход 32 и циркулирующего в седьмом контуре 38, перед его повторной подачей на дно резервуара через клапан 62.

Второй режим работы представлен на Фигурах 16a и 16b и соответствует случаю, когда скорость движения судна составляет порядка вышеуказанного порогового значения, которое составляет, например, 16 узлов, причем скорость в данном случае называется крейсерской скоростью судна. Потребности судна в газообразном СПГ по существу равны количеству ОГ, образующегося естественным образом. В этом случае в машины подается ОГ, который представляет собой ОГЕИ и, следовательно, поступает из выхода 26 резервуара. В данном случае для переохлаждения СПГ используется криогенная энергия теплового насоса 10. Во втором режиме работы давление в резервуаре составляет порядка 120 бар изб.

Третий режим работы представлен на Фигурах 17a и 17b и соответствует случаю, когда скорость движения судна немного меньше порогового значения и составляет, например, от 14 до 16 узлов. В этом случае в машины подается ОГ, который представляет собой только ОГЕИ. ОГЕИ, образующегося в резервуаре 24, достаточно для питания судна. Количество ОГЕИ даже превышает потребности судна. Образование ОГЕИ в данном случае ограничивается распылением СПГ в ОГ в резервуаре 24 для повторной конденсации ОГ в СПГ. В третьем режиме работы давление в резервуаре составляет порядка 120 бар изб.

Что касается последней части, второй контур 18 теплового насоса 10 используется для охлаждения СПГ, извлеченного через выход 32 и циркулирующего в седьмом контуре 38, перед его повторной подачей в распылительную штангу 44 в резервуаре 24.

Четвертый режим работы представлен на Фигуре 18 и соответствует случаю, когда скорость движения судна значительно меньше порогового значения и составляет, например, менее 14 узлов. В этом случае образуется слишком большое количество ОГЕИ по сравнению с потребностями машин, и часть сжатого газа на выходе компрессора или компрессоров 48 циркулирует в восьмом контуре 50, а затем в девятом контуре 52 для охлаждения. В данном случае для переохлаждения этого газа и его повторной конденсации перед повторной подачей в резервуар 24 используется криогенная энергия теплового насоса 10. В этом случае считается, что переохлажденный СПГ при температуре приблизительно -165°C хранится в слое 40. Насос 28 извлекает холодный СПГ со дна резервуара, СПГ циркулирует в седьмом контуре 38 и слегка нагревается перед выходом из седьмого контура 38 до температуры, близкой или даже идентичной температуре СПГ, выходящего из девятого контура 52. СПГ, выходящие из двух выходов, смешиваются и повторно подаются через клапан 62 на дно резервуара 24. В четвертом режиме работы давление в резервуаре является значительным и составляет, например, порядка 140 бар изб.

Пятый режим работы представлен на Фигуре 19 и аналогичен предыдущему режиму работы. Образуется слишком большое количество ОГЕИ по сравнению с потребностями машин, и часть сжатого газа на выходе компрессора или компрессоров 48 сжигается в котле 64. Образование ОГЕИ в данном случае ограничивается распылением СПГ в ОГ в резервуаре для повторной конденсации ОГ в СПГ. В данном случае для переохлаждения этого газа и его повторной конденсации перед повторной подачей в резервуар 24 используется криогенная энергия теплового насоса. В пятом режиме работы давление в резервуаре является значительным и составляет, например, порядка 140 бар изб.

Наконец, Фигура 20 иллюстрирует шестой вариант выполнения изобретения, в котором тепловой насос 10 использует компрессор или один из компрессоров 48, используемых для питания машин 58, 60 судна, а не специализированный компрессор 12. С другой стороны, можно считать, что газ в машины судна подается компрессором теплового насоса 10. В этом случае вход компрессора или одного из компрессоров 48 соединен с одной стороны с выходом пятого контура 36 и выходом четвертого контура 22, а выход компрессора или одного из компрессоров 48 соединен с одной стороны с входом первого контура 16 и машинами 58, 60 судна.

На практике в целях безопасности существует избыточность компрессоров 48, питающих машины судна. Когда один из компрессоров 48 выходит из строя, другой может использоваться для подачи газа в машины и обеспечения работы и в особенности движения судна. В связи с этим, благодаря наличию по меньшей мере двух компрессоров 48, когда первый компрессор 48 работает и используется для питания машин, можно изолировать второй компрессор 48 и использовать его как часть теплового насоса 10. Перед и после второго компрессора 48 установлены первые запорные клапаны 66 для соединения его входа и выхода с пятым контуром 36 и машинами 58, 30 судна соответственно. Перед и после второго компрессора 48 установлены вторые запорные клапаны 68 для соединения его входа и выхода с четвертым контуром 22 и первым контуром 16 соответственно.

Таким образом, следует понимать, что по умолчанию при работе первого компрессора 48 первые запорные клапаны 66 закрыты, а вторые запорные клапаны 68 открыты, так что второй компрессор 48 используется в тепловом насосе. В случае выхода из строя первого компрессора 48 вторые запорные клапаны 68 закрываются, а первые запорные клапаны 66 открываются. Таким образом, имеется возможность подачи сжатого газа в машины, но отсутствует возможность использования теплового насоса 10.

Вариант выполнения, показанный на Фигуре 27, отличается от вариантов выполнения, показанных на Фигуре 1 и последующих фигурах, по существу тем, что четвертый контур 22 первого теплообменника E1 соединен со входом компрессора 12 десятым контуром 22’ второго теплообменника E2. Десятый контур 22’ позволяет повторно нагревать криогенную текучую среду перед подачей в компрессор 12 теплового насоса 10. Другими словами, вместо однократного повторного нагрева только в первом теплообменнике E1 криогенная текучая среда повторно нагревается второй раз во втором теплообменнике E2 перед подачей в компрессор 12, который является частью теплового насоса 10.

Десятый контур 22’ позволяет охлаждать криогенную текучую среду, циркулирующую в первом контуре 16, которая, таким образом, подвергается двойному охлаждению во втором теплообменнике E2. Криогенная текучая среда, с одной стороны, охлаждается за счет приема холода от отпарного газа, извлеченного из резервуара 24 и циркулирующего в пятом контуре 36, а, с другой стороны, за счет приема холода от криогенной текучей среды, циркулирующей в десятом контуре 22’.

Кроме того, как и в случае, показанном на Фигурах 10 и последующих фигурах, выход пятого контура 36 второго теплообменника E2 соединен со входом одного или более компрессоров 48, выходы которых питают машины 58, 60 судна, и может ответвляться на вход одиннадцатого контура 52’ третьего теплообменника E3. Выход одиннадцатого контура 52’ соединен с клапаном 62. Одиннадцатый контур 52’ позволяет охлаждать и сжижать газ, поступающий из резервуара, перед его повторной подачей в резервуар 24.

Этот вариант, в частности, позволяет использовать криогенный тепловой насос 10 для переохлаждения СПГ и/или повторной конденсации ОГ. Это предпочтительно, поскольку второй теплообменник E2 содержит только три контура по сравнению с четырьмя или более в некоторых предыдущих вариантах выполнения, что делает теплообменник более простым и, следовательно, менее дорогостоящим.

Фигуры 28a-28c иллюстрируют этапы работы этого варианта выполнения. В случае, показанном на Фигуре 28a, машинам 58, 60 судна требуется значительное количество газа, и, следовательно, извлекаемый ОГ полностью сжимается для подачи в машины. Тепловой насос 10 используется для повторного нагрева ОГ и для охлаждения СПГ, который извлекается, а затем повторно подается на дно резервуара 24. Этап работы, показанный на Фигуре 28b, аналогичен, за исключением того, что извлеченный СПГ, который охлаждается, повторно подается в резервуар через распылительную штангу 44. В случае, показанном на Фигуре 28c, часть сжатого ОГ циркулирует в одиннадцатом контуре 52’ для охлаждения и повторной конденсации третьим теплообменником E3 перед подачей на дно резервуара, возможно, смешанным с извлеченным и переохлажденным СПГ.

Вариант выполнения, показанный на Фигуре 29, отличается от варианта выполнения, показанного на Фигуре 9, в частности, тем, что один теплообменник также содержит восьмой контур и/или девятый контур 50, 52, выполняющие ту же функцию, что и восьмой контур 50 и девятый контур 52, описанные в выше в отношении Фигуры 13, или одиннадцатый контур 52’ из варианта, показанного на Фигуре 28, а именно функцию охлаждения и повторной конденсации ОГ, извлеченного из резервуара и выходящего из пятого контура 36 и компрессора или компрессоров 48.

В этом варианте между выходом первого/третьего контура 16, 20 и входом второго/четвертого контура 18, 22 установлен первый уравнительный резервуар 90 для разделения фаз. В первый уравнительный резервуар 90 может подаваться двухфазная смесь, и во второй/четвертый контур 18, 22 предпочтительно также подается двухфазная смесь, которая образуется в результате по меньшей мере частичного расширения жидкой криогенной текучей среды, извлеченной со дна первого уравнительного резервуара 90 после разделения фаз, которая подверглась расширению в расширительном клапане 14, расположенном между выходом первого уравнительного резервуара 90 и входом второго/четвертого контура 18, 22.

Второй уравнительный резервуар 92 для разделения фаз установлен на выходе восьмого/девятого контура 50, 52, причем второй уравнительный резервуар 92 содержит выход газа, соединенный со входом пятого контура 36 посредством трубы для извлечения ОГ из резервуара, и выход жидкости, соединенный со средством повторной подачи СПГ в резервуар 24 посредством распылительной штанги 44 или средства подачи на дне резервуара 24. Во второй уравнительный резервуар 92 может подаваться двухфазная смесь, выходящая из восьмого/девятого контура 50, 52. Второй уравнительный резервуар 92 особенно предпочтителен в случае, когда восьмой/девятый контур 50, 52 не позволяют повторно сконденсировать весь газ и, в частности, легкие газы, например, азот, содержащийся в ОГ. Газообразный азот, выходящий из восьмого/девятого контура 50, 52, повторно подается в пятый контур 36 и повторно сжимается для по меньшей мере частичной рециркуляции путем подачи в машины 58, 60 судна.

Этот вариант также позволяет использовать криогенный тепловой насос 10 для переохлаждения СПГ и/или повторной конденсации ОГ. Он особенно предпочтителен с точки зрения компактности одного используемого теплообменника.

Фигуры 30a-30c иллюстрируют этапы работы этого варианта выполнения. В случае, показанном на Фигуре 30a, машинам 58, 60 судна требуется значительное количество газа, и, следовательно, извлекаемый ОГ полностью сжимается для подачи в машины. Тепловой насос 10 используется для повторного нагрева ОГ и для охлаждения СПГ, который извлекается, а затем повторно подается на дно резервуара 24. Этап работы, показанный на Фигуре 30b, аналогичен, за исключением того, что извлеченный СПГ, который охлаждается, повторно подается в резервуар через распылительную штангу 44. В случае, показанном на Фигуре 30c, часть сжатого ОГ циркулирует в восьмом/девятом контуре 50, 52 для охлаждения и повторной конденсации перед подачей во второй уравнительный резервуар 92. Газ, содержащийся во втором уравнительном резервуаре 92, перенаправляется в пятый контур 36, а содержащаяся в нем жидкость подается на дно резервуара 24.

Фигуры 31-33 иллюстрируют примеры значений температуры разных текучих сред в контексте вариантов выполнения, показанных на Фигуре 27 и последующих фигурах.

Эти значения температур можно сравнить со значениями, показанными на Фигуре 14. Как объяснено выше, различие связано, в частности, с тем, что второй теплообменник E2 содержит десятый контур 22’, соединяющий выход четвертого контура 22 первого теплообменника E1 со входом компрессора 12 теплового насоса 10. Установлено, что температура криогенной текучей среды на входе компрессора 12 (-5°C) значительно превышает температуру (-110°C), показанную на Фигуре 14, из-за двойного нагрева текучей среды четвертым контуром 22 и десятым контуром 22’ соответственно.

В случае, показанном на Фигуре 31, СПГ переохлаждается до температуры -167°C перед повторной подачей в резервуар 24. Небольшое количество ОГ (при наличии) охлаждается и повторно конденсируется посредством второго теплообменника E2, поскольку его образования достаточно для удовлетворения потребностей машин 58, 60, 64 судна.

В случае, показанном на Фигуре 32, СПГ переохлаждается до температуры -165°C перед подачей в резервуар 24. Аналогичным образом небольшое количество ОГ (при наличии) охлаждается и повторно конденсируется посредством второго теплообменника E2, поскольку его образования достаточно для удовлетворения потребностей машин 58, 60, 64 судна.

В случае, показанном на Фигуре 33, образование ОГ превышает потребности машин 58, 60, 64 судна в отношении газа. Следовательно, избыточный ОГ охлаждается и повторно конденсируется при прохождении через восьмой контур 50 и девятый контур 52 соответственно второго теплообменника E2 и третьего теплообменника E3, а затем повторно подается в резервуар 24. В этом случае извлеченный СПГ повторно нагревается в третьем теплообменнике E3 и, следовательно, будет охлаждать (а не охлаждаться) второй контур 18 теплового насоса 10 и сжиженный газ, поступающий из восьмого контура 50.

В варианте выполнения, показанном на Фигуре 34, устройство содержит пятый теплообменник E5 с двумя контурами 94, 96, в том числе контуром 96, который является частью охладителя 98. Охладитель 98 содержит последовательно компрессор, выход которого соединен через расширительный клапан с концом контура 96, другой конец которого соединен со входом компрессора. Другой контур 94 пятого теплообменника E5 соединен, с одной стороны, с выходом компрессора 12 теплового насоса 10 а, с другой стороны, с первым контуром 16 второго теплообменника E2. Выход первого контура 16 соединен с третьим контуром 20 первого теплообменника E1, выход которого, помимо соединения со вторым контуром 18, соединен через дополнительный расширительный клапан со входом дополнительного контура 99a второго теплообменника E2. Выход дополнительного контура 99a соединен со входом двенадцатого контура 99b первого теплообменника E1, выход которого соединен посредством выхода десятого контура 22’ со входом компрессора 12 криогенного теплового насоса 10.

В общем, во всех вариантах, описанных выше и проиллюстрированных на чертежах, все или некоторые теплообменники могут быть упрощены для уменьшения количества контуров и, следовательно, снижения их стоимости, или, наоборот, могут быть объединены и использовать общие контуры для уменьшения количества теплообменников.

Изобретение относится к холодильной технике. Криогенный тепловой насос (10) для устройства обработки сжиженного газа включает в замкнутом контуре компрессор (12), расширительное устройство (14), первый контур (16) приема холода, проходящий между указанным компрессором и указанным расширительным устройством. Второй контур (18) передачи холода проходит между указанным расширительным устройством и указанным компрессором. Указанный замкнутый контур содержит криогенную текучую среду, выполненную с возможностью нахождения в двухфазном состоянии в по меньшей мере части этого контура. Указанный второй контур передачи холода выполнен с возможностью иметь температуру на выходе ниже -40°C. Техническим результатом является возможность рекуперации энергии, возникающей в результате изменения состояния между двухфазным состоянием и паром при прохождении испарителя. 5 н. и 25 з.п. ф-лы, 34 ил.

1. Криогенный тепловой насос (10) для устройства обработки сжиженного газа, включающий в замкнутом контуре по меньшей мере один компрессор (12, 48), по меньшей мере один расширительный клапан (14), первый контур (16) приема холода, проходящий между указанным по меньшей мере одним компрессором (12, 48) и указанным по меньшей мере одним расширительным клапаном (14), и второй контур (18) передачи холода, проходящий между указанным по меньшей мере одним расширительным клапаном (14) и указанным по меньшей мере одним компрессором (12, 48), причем указанный замкнутый контур содержит криогенную текучую среду, выполненную с возможностью нахождения в двухфазном состоянии, в по меньшей мере части этого контура, причем указанный второй контур (18) передачи холода выполнен с возможностью иметь температуру на выходе, меньшую или равную -40°C.

2. Тепловой насос (10) по п. 1, в котором выход указанного первого контура (16) и расширительный клапан (14), с одной стороны, и выход указанного второго контура (18) и компрессор (12, 48), с другой стороны, соединены по меньшей мере третьим и четвертым контурами (20, 22) взаимного теплообмена.

3. Тепловой насос (10) по п. 2, в котором выход указанного четвертого контура (22) соединен десятым контуром (22’) с указанным компрессором (12, 48), причем десятый контур (22’) выполнен с возможностью передачи холода в указанный первый контур (16).

4. Тепловой насос (10) по п. 2 или 3, в котором первый контур (16), второй контур (18), третий контур (20), четвертый контур (22) и десятый контур (22’) являются частью одного и того же теплообменника или двух, или трех разных теплообменников.

5. Тепловой насос (10) по любому из предыдущих пунктов, в котором указанная криогенная текучая среда выбрана из азота, метана, кислорода, этана, этилена, бутана, изобутана, пропана, изопропана, аргона или смеси этих газов.

6. Тепловой насос (10) по любому из предыдущих пунктов, в котором указанный компрессор (48) выполнен с возможностью сжатия газа, предназначенного для подачи газа в по меньшей мере одну машину (58, 60) указанного судна, причем указанный компрессор (48) также соединен через запорные клапаны (66, 68) с первым контуром (16) и со вторым контуром (18), а также с указанной по меньшей мере одной машиной (58, 60) указанного судна для предоставления возможности отключения его от машины (58, 60) указанного судна, когда он работает в отношении теплового насоса (10), и отключения его от теплового насоса (10), когда он работает в отношении указанной по меньшей мере одной машины (58, 60) указанного судна.

7. Тепловой насос (10) по любому из предыдущих пунктов, в котором указанный второй контур (18) передачи холода выполнен с возможностью иметь температуру на выходе, меньшую или равную -90°C и предпочтительно меньшую или равную -160°C.

8. Устройство обработки сжиженного газа, включающее насосную систему (28, 30), предназначенную для погружения в резервуар для хранения указанного сжиженного газа, и по меньшей мере один криогенный тепловой насос (10) , включающий в замкнутом контуре по меньшей мере один компрессор (12, 48), по меньшей мере один расширительный клапан (14), первый контур (16) приема холода, проходящий между указанным по меньшей мере одним компрессором (12, 48) и указанным по меньшей мере одним расширительным клапаном (14), и второй контур (18) передачи холода, проходящий между указанным по меньшей мере одним расширительным клапаном (14) и указанным по меньшей мере одним компрессором (12, 48), при этом указанный замкнутый контур содержит криогенную текучую среду, выполненную с возможностью нахождения в двухфазном состоянии, в по меньшей мере части этого контура, при этом указанный второй контур (18) передачи холода выполнен с возможностью иметь температуру на выходе, меньшую или равную -40°C, при этом выход указанного первого контура (16) и расширительный клапан (14), с одной стороны, и выход указанного второго контура (18) и компрессор (12, 48), с другой стороны, соединены по меньшей мере третьим и четвертым контурами (20, 22) взаимного теплообмена, первый контур (16) приема холода которого выполнен с возможностью нагрева пятого контура (36) для повторного нагрева отпарного газа естественного испарения, предназначенного для соединения с выходом (26) отпарного газа естественного испарения указанного резервуара (24), и/или шестого контура (46) для повторного нагрева сжиженного газа, соединенного с указанной насосной системой (28, 30), и второй контур (18) передачи холода которого выполнен с возможностью охлаждения или нагрева седьмого контура (38) сжиженного газа, соединенного с указанной насосной системой (28, 30).

9. Устройство по п. 8, в котором выход указанного седьмого контура (38) предназначен для соединения с входом (42) сжиженного газа указанного резервуара (24) и предпочтительно с по меньшей мере одной распылительной штангой (44) для сжиженного газа в верхней части резервуара (24) и/или с по меньшей мере одним средством подачи указанного сжиженного газа на дне указанного резервуара (24).

10. Устройство по п. 8 или 9, в котором выход указанного пятого контура (36) и/или выход указанного шестого контура (46) соединены с по меньшей мере одним компрессором (48), предназначенным для подачи газа в по меньшей мере одну машину (58, 60, 64) судна для транспортировки сжиженного газа, такую как, например, двигатель (58), приводящий в движение указанное судно, электрогенератор (60) и/или котел (64).

11. Устройство по п. 10, в котором выход указанного компрессора (48), выполненного с возможностью подачи газа в по меньшей мере одну машину (58, 60, 64) судна, соединен с восьмым теплообменным контуром (50) посредством указанного первого контура (16), и/или указанного пятого контура (36), и/или указанного шестого контура (46).

12. Устройство по предыдущему пункту, в котором выход указанного восьмого контура (50) соединен с входом девятого теплообменного контура (52) посредством указанного второго контура (18) и/или указанного седьмого контура (38).

13. Устройство по любому из пп. 10-12, в котором указанный по меньшей мере один компрессор (48) соединен через клапаны (66) соответственно с выходом пятого контура (36) и/или шестого контура (46) и с указанной по меньшей мере одной машиной, а через клапаны (68) соответственно с первым и вторым контурами (16, 18).

14. Устройство по любому из пп. 10-13, в котором указанный по меньшей мере один компрессор (48) непосредственно соединен с входом одиннадцатого контура (52’), выполненного с возможностью теплообмена с указанным вторым контуром (18) и/или указанным седьмым контуром (38).

15. Устройство по любому из пп. 8-13, в котором первый контур (16), второй контур (18), третий контур (20), четвертый контур (22), пятый контур (36), шестой контур (46), седьмой контур (38), восьмой контур (50), девятый контур (52) и одиннадцатый контур (52’) являются частью одного и того же теплообменника или нескольких разных теплообменников.

16. Устройство по п. 15, причем тепловой насос (10) определен по меньшей мере по п. 2, содержащее первый теплообменник (E1), содержащий по меньшей мере или только лишь указанные третий и четвертый контуры (20, 22).

17. Устройство по п. 15 или 16, причем тепловой насос (10) определен по меньшей мере по п. 3, содержащее второй теплообменник (E2), содержащий по меньшей мере или только лишь указанные первый, пятый и десятый контуры (16, 36 и 22’).

18. Устройство по любому из пп. 15-17, содержащее третий теплообменник (E3), содержащий по меньшей мере или только лишь указанные второй и седьмой контуры (18, 38).

19. Устройство по любому из пп. 8-18, в котором тепловой насос (10) выполнен так, что на выходе указанного расширительного клапана (14) криогенная текучая среда имеет температуру по меньшей мере на 3°C ниже, чем температура сжиженного газа, поступающего в указанный седьмой контур (38).

20. Судно для транспортировки сжиженного газа, включающее по меньшей мере один резервуар (24) для хранения газа и устройство по любому из пп. 8-19.

21. Способ охлаждения и/или повторного нагрева сжиженного газа, хранящегося на судне по п. 20, включающий этапы, на которых:

a) извлекают сжиженный газ из резервуара (24) и осуществляют его циркуляцию в указанном седьмом контуре (38) для изменения его температуры, затем

b) повторно подают сжиженный газ в резервуар в верхней части и/или на дне резервуара (24).

22. Способ по п. 21, содержащий этапы, на которых:

c) извлекают отпарной газ естественного испарения из резервуара (24) и осуществляют его циркуляцию в указанном пятом контуре (36) для повышения его температуры и/или

d) извлекают сжиженный газ из резервуара (24) и осуществляют его циркуляцию в указанном шестом контуре (46) для испарения и повышения его температуры.

23. Способ по п. 22, причем устройство определено по п. 10 или 11, содержащий этапы, на которых:

e) подают в указанный по меньшей мере один компрессор (48), выполненный с возможностью подачи газа в по меньшей мере одну машину (58, 60, 64) указанного судна, газ, выходящий из указанного пятого контура (36) и/или из указанного шестого контура (46), и

f) возможно, отбирают часть газа на выходе указанного по меньшей мере одного компрессора и осуществляют циркуляцию этого газа в указанном восьмом контуре (50) или в указанном девятом контуре (52) для его охлаждения.

24. Способ по пп. 21 и 22, в котором этапы a), b), c) и d) выполняют одновременно, когда указанное судно имеет высокую скорость, соответствующую, например, скорости, превышающей заданное пороговое значение, причем сжиженный газ повторно подают на дно резервуара на этапе b).

25. Способ по пп. 21 и 22, в котором этапы a), b) и c) выполняют одновременно, когда указанное судно имеет крейсерскую скорость, соответствующую, например, крейсерской скорости, причем сжиженный газ повторно подают на дно резервуара на этапе b).

26. Способ по пп. 21 и 22, в котором этапы a), b) и c) выполняют одновременно, когда указанное судно имеет низкую скорость, соответствующую, например, скорости меньше заданного порогового значения, и/или, когда давление в указанном по меньшей мере одном резервуаре меньше заданного порогового значения, причем сжиженный газ повторно подают в верхнюю часть резервуара на этапе b).

27. Способ по пп. 21-23, в котором этапы a), b), c), e), f) и g) выполняют одновременно, когда указанное судно имеет низкую скорость, соответствующую, например, скорости значительно меньше заданного порогового значения, причем сжиженный газ циркулирует в указанном седьмом контуре (38) для его повторного нагрева и смешивания с газом, выходящим из указанного девятого контура (52), перед повторной подачей в резервуар на этапе b) предпочтительно на дно резервуара.

28. Способ по пп. 21-23, в котором этапы a), b), c) и e) выполняют одновременно, когда указанное судно имеет низкую скорость, соответствующую, например, скорости значительно меньше заданного порогового значения, причем сжиженный газ повторно подают в верхнюю часть резервуара на этапе b).

29. Способ по любому из пп. 21-28, дополнительно включающий:

- этап, на котором используют по меньшей мере один компрессор (48) для сжатия газа для подачи газа в по меньшей мере одну машину (58, 60, 64) судна, и

- этап, на котором используют тот же по меньшей мере один компрессор (48) для сжатия криогенной текучей среды в тепловом насосе (10).

30. Способ работы теплового насоса (10) устройства обработки сжиженного газа на судне по п. 20, причем тепловой насос (10) определен по меньшей мере по п. 3, включающий этап, на котором охлаждают криогенную текучую среду, предварительно сжатую компрессором (12) теплового насоса (10),

- с одной стороны, за счет приема холода от отпарного газа, извлеченного из резервуара (24) и циркулирующего в указанном пятом контуре (36), и,

- с другой стороны, за счет приема холода от криогенной текучей среды, циркулирующей в указанном десятом контуре (22’).