Ожижитель водорода малой производительности Российский патент 2022 года по МПК F25J1/02 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к водородным ожижителям малой производительности.

Известна конструкция ожижителя, работающая в режиме сжижения и ретроградной конденсации паров водорода и предназначенная для ожижения небольших количеств водорода и неона (Butkevich I.K., Dobrov V.М. Hydrogen/neon liquefier with helium expander refrigeration cycle //Chemical and Petroleum Engineering. - 1969. - T. 5. - №. 3. - стр. 251-252). Гелий из компрессора поступает в ожижитель, где последовательно охлаждается в теплом теплообменнике, азотной ванне и холодном теплообменнике, после расширяется в детандере, снижая температуру до -253°С-263°С, и направляется в теплообменник-конденсатор, охлаждая сжимаемый газ, далее через теплообменник покидает установку и возвращается в компрессор. В свою очередь, сжиженный водород или неон поступает в ресивер Недостатком такого устройства является необходимость своевременного и регулярного технического обслуживания детандера, необходимость его энергообеспечения, чувствительность к процессам обледенения от возможного остаточного конденсата. Применение гелия в качестве промежуточного рабочего тела под относительно высоким давлением подразумевает необходимость применения более металлоемкой и дорогой запорно-регулирующей арматуры, и более прочных магистралей, что помимо увеличения их стоимости также сказывается на эффективности рабочих теплообменных процессов.

Известен способ получения жидкого параводорода (Патент 166373 Союз Советских Социалистических Республик, МПК F25J 1/02. Способ получения жидкого параводорода / А.Г. Зельдович, Ю.К. Пилипенко. - № 145251; заявл. 10.09.1962; опубл. 19.11.1964, Бюл. № 22), в котором сжатый водород охлаждается последовательно в теплообменнике теплой зоны, ванне жидкого азота, промежуточном теплообменнике, ванне жидкого азота, кипящего под вакуумом, теплообменнике холодной зоны, расширяется в детандере и дросселируется дросселем в ванную жидкого водорода. Предварительно водород проходит систему сжатия и очистки. Из теплообменника холодной зоны сжижаемый водород поступает в детандер, проходит змеевики и конвертор.

Недостаток данного изобретения заключается в наличии детандера и вращающихся деталей, снижающих надежность, ремонтопригодность и срок службы.

Наиболее близким из известных технических решений является водородно-ожижительная станция ВОС-3 (Рожков И.В. Получение жидкого водорода / И.В. Рожков, О.А. Алмазов, А.А. Ильинский - Москва: Издательство «Химия», 1967. - стр. 199), содержащая газгольдер, из которого чистый водород засасывается компрессором и сжимается до высокого давления, блок маслоотделения и ожижитель, в котором водород охлаждается в первом теплообменнике, ванне с жидким азотом, втором теплообменнике, после чего расширяется в дроссельном вентиле, ожижается и накапливается в сборнике. Жидкий азот попадает в азотную ванну из сосуда Дьюара, где кипит под низким давлением, создаваемым вакуум-насосом. Изоляционное пространство ожижителя заполнено мипорой и откачивается форвакуумным насосом.

Недостатком изобретения является необходимость производить ряд трудоемких операций по распайке трубок из-за того, что вывод сжиженного водорода и ввод обратного потока пара из конденсатора в теплообменник «холодной» зоны осуществляется через боковую стенку кожуха ожижителя.

Технический эффект, достигаемый предложенным ожижителем водорода, заключается в высокой надежности, долгосрочном ресурсе, облегченном техническом обслуживании и ремонте, обеспечиваемых эффективной компоновкой конструкции ожижителя водорода малой производительности и свободой термических деформаций внутренних узлов ожижителя от его корпуса. Непосредственный контакт змеевика с жидким азотом обуславливают повышение эффективности ожижителя водорода малой производительности и интенсификацию теплообмена и предварительного азотного охлаждения.

Данный технический эффект достигается в ожижителе водорода малой производительности, содержащем верхнюю крышку, соединенную с корпусом фланцем, предварительный теплообменник «теплой» зоны, выполненный из девяти медных трубок, спаянных между собой и свернутых в спираль, сборник жидкого водорода, вокруг которого концентрично расположен основной теплообменник «холодной» зоны, выполненный из четырех спаянных между собой медных трубок, свернутых в спираль, и ванна жидкого азота, согласно изобретению, предварительный теплообменник «теплой» зоны, сборник жидкого водорода, основной теплообменник «холодной» зоны, ванна жидкого азота, располагающиеся внутри корпуса, смонтированы на внутренней поверхности его крышки, а также сборник и медные трубки основного теплообменника «холодной» зоны расположены соосно кольцевой ванне с жидким азотом в пространстве, ограниченном ее внутренними стенками.

Суть изобретения поясняется на фигуре 1, где показано, что в состав ожижителя водорода входят:

1 - корпус;

2 - фланец;

3 - рама;

4 - трубки теплообменников;

5 - предварительный теплообменник «теплой» зоны;

6 - ванна жидкого азота;

7 - основной теплообменник «холодной» зоны;

8 - сборник жидкого водорода;

9 - змеевик азотной ванны;

10 - дроссельный вентиль;

11 - вакуумная изоляция.

Конструктивно ожижитель водорода содержит корпус 1 с закрепленным на нем фланцем 2, к которому крепится рама 3. На раме 3 установлены трубки 4, связка из девяти таких медных трубок образует предварительный теплообменник «теплой» зоны 5. После предварительного теплообменника «теплой» зоны 5 установлена ванна жидкого азота 6, в которую устанавливается состоящий из связки четырех медных трубок 4 основной теплообменник «холодной» зоны 7, в центре которого установлен сборник жидкого водорода 8. Во внутреннем объеме ванны жидкого азота 6 расположен змеевик ванны жидкого азота 9. В крышке сборника жидкого водорода 8 установлен дроссельный вентиль 10. Внутреннее пространство ожижителя водорода малой производительности защищено вакуумной изоляцией 11.

Работа ожижителя водорода малой производительности осуществляется следующим образом.

Сжатый водород охлаждается последовательно в предварительном теплообменнике «теплой» зоны 5, по одной трубке 4 которого проходит сжатый водород высокого давления, по трем трубкам 4 - обратный расширенный водород, и по пяти трубкам 4 - газообразный азот из ванны жидкого азота 6, далее в концентрично расположенных вокруг сборника жидкого водорода 8 ванне с жидким азотом 6 и основном теплообменнике «холодной» зоны 7, одна трубка 4 которого предназначена для сжатого водорода, а три трубки 4 - для обратного потока расширенного водорода. Далее водород расширяется в дроссельном вентиле 10, смонтированном на верхней крышке сборника жидкого водорода 8, в котором он накапливается, сжижаясь после дросселирования. Неожиженный расширенный водород через предварительный теплообменник «теплой» зоны 5 и основной теплообменник «холодной» зоны 7 выводятся из ожижителя. Внутреннее пространство ожижителя водорода малой производительности защищено вакуумной изоляцией 11.

Преимуществом приведенного ожижителя водорода малой производительности является конструктивное совершенство и надежность, обеспечиваемые облегченной разборкой и сборкой ожижителя водорода малой производительности за счет монтажа элементов конструкции к крышке корпуса, и высокая эффективность, обеспечивающаяся интенсифицированным теплообменом между змеевиком ванны жидкого азота и жидким азотом.

Таким образом, реализация данного изобретения приведет к высокой эффективности и технологичности ожижителя водорода малой производительности.

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к водородным ожижителям малой производительности. Ожижитель водорода малой производительности содержит верхнюю крышку, соединенную с корпусом фланцем, предварительный теплообменник «теплой» зоны, выполненный из девяти медных трубок, спаянных между собой и свернутых в спираль, сборник жидкого водорода, вокруг которого концентрично расположен основной теплообменник «холодной» зоны, выполненный из четырех спаянных между собой медных трубок, свернутых в спираль, и ванну жидкого азота. Согласно изобретению предварительный теплообменник «теплой» зоны, сборник жидкого водорода, основной теплообменник «холодной» зоны, ванна жидкого азота, располагающиеся внутри корпуса, смонтированы на внутренней поверхности его крышки, а также сборник и медные трубки основного теплообменника расположены соосно кольцевой ванне с жидким азотом в пространстве, ограниченном ее внутренними стенками. Изобретение обеспечивает повышение надежности и эффективности за счет интенсифицированного теплообмена между змеевиком ванны жидкого азота и жидким азотом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ожижитель водорода малой производительности, содержащий верхнюю крышку, соединенную с корпусом фланцем, предварительный теплообменник «теплой» зоны, выполненный из девяти медных трубок, спаянных между собой и свернутых в спираль, сборник жидкого водорода, вокруг которого концентрично расположен основной теплообменник «холодной» зоны, выполненный из четырех спаянных между собой медных трубок, свернутых в спираль, и ванна жидкого азота, отличающийся тем, что предварительный теплообменник «теплой» зоны, сборник жидкого водорода, основной теплообменник «холодной» зоны, ванна жидкого азота, располагающиеся внутри корпуса, смонтированы на внутренней поверхности его крышки.

2. Ожижитель водорода по п. 1, отличающийся тем, что сборник и медные трубки основного теплообменника расположены соосно кольцевой ванне с жидким азотом в пространстве, ограниченном ее внутренними стенками.