Криогенный сосуд со встроенным экономайзером и способ выпуска сжиженного газа из сосуда Российский патент 2024 года по МПК F17C7/00 F17C13/00 

Изобретение относится к конструкции криогенных сосудов высокого давления и способам выпуска из них сжиженных газов и может применяться для постоянной выдачи газообразного продукта под заданным давлением в сеть потребителя, а также для транспортировки, хранения и выдачи сжиженных промышленных газов, таких как кислород, азот, аргон, диоксид углерода.

Из уровня техники известно устройство и способ для выпуска текучей среды высокого давления (RU 2658447 C2, МПК F17C 7/02, F16L 13/02, G21F 9/00, G21C 19/16, опубл. 21.06.2018). Устройство включает в себя резервуар-хранилище, устройство наддува, охладительное устройство, выполненное в виде теплообменника с возможностью понижения температуры текучей среды высокого давления, форсунку и устройство вакуумного присасывания. Резервуар-хранилище хранит испускаемую текучую среду, при этом в качестве текучей среды применяется криогенный жидкий азот.

Способ выпуска текучей среды высокого давления включает в себя выпуск среды через форсунку, установленную в корпусе, открытом в направлении выпуска текучей среды высокого давления, при этом устройство вакуумного отсоса через трубу высасывает текучую среду изнутри корпуса форсунки.

Недостатком известного технического решения является ограниченная возможность использования известного устройства для долговременного хранения промышленных газов, кроме того, использование в устройстве системы вакуумного отсоса требует применения в составе устройства дополнительного форвакуумного насоса.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан бак криогенный топливный транспортного средства, работающего на сжиженном природном газе (RU 170383 U1, МПК F02M 21/02, F17C 13/00, B60K 15/03, опубл. 24.04.2017). Устройство состоит из двух сосудов, расположенных один внутри другого, теплоизоляции в межстенном пространстве сосудов, компенсационной емкости, расположенной во внутреннем сосуде, трубопроводов для заправки и выдачи топлива, предохранительной и регулирующей арматуры. При этом на трубопроводе, соединяющем трубопровод подачи топлива в испаритель наддува с трубопроводом подачи топлива в двигатель, установлен клапан, управляемый сигналом от датчика температуры, установленного на трубопроводе подачи топлива в двигатель.

Способ подачи сжиженного природного газа из бака включает в себя открытие вентиля бака, скоростного клапана и регулятора давления, настроенного на величину давления подачи топлива в двигатель. Далее топливо по трубопроводу поступает в теплообменник-испаритель, где оно испаряется за счет теплообмена с жидкостью из контура охлаждения двигателя. После этого топливо поступает в теплообменник-регулятор, где устанавливается его температура, требуемая для эффективной работы двигателя, при этом давление и температура топлива, поступающего в двигатель, контролируются манометром и датчиком температуры.

Недостатком известного бака и способа подачи сжиженного газа из него является то, что устройство предназначено в первую очередь для использования в составе транспортного средства для подачи топлива в двигатель, что делает сложной его адаптацию для выдачи газообразного продукта под заданным давлением другим потребителям.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка криогенного сосуда со встроенным экономайзером и способа выпуска сжиженных газов из сосуда, обеспечивающих полное использование жидкой и газообразной фаз газа, хранящегося в сосуде без необходимости сброса газовой фазы в атмосферу для снижения давления в сосуде.

Указанная задача решена тем, что криогенный сосуд состоит из сосуда внутреннего, установленного внутри полого кожуха, при этом пространство между сосудом внутренним и кожухом вакуумировано и заполнено теплоизоляционным материалом. В левом днище сосуда установлены линия сброса газа, линия заправки сосуда жидкостью, линия выдачи жидкости потребителю и линия подъема давления, каждая из которых выведена через кожух в атмосферу и снабжена клапанами. На линии подъема давления последовательно установлены уровнемер, дренажный штуцер, клапан подъема давления, регулятор давления, испаритель, предохранительные клапаны, клапан манометра и манометр, при этом на линии подъема давления после испарителя выполнен отвод к линии сброса газа. Линия выдачи жидкости потребителю включает в себя П-образную трубу, установленную в внутри сосуда внутреннего, в верхней части которой выполнено отверстие и установлен дроссельный элемент в виде шайбы с внутренним коническим отверстием.

Способ выпуска сжиженного газа из сосуда (выдачу газа потребителю) включает в себя подсоединение к штуцеру клапана линии выдачи жидкости трубопровода потребителя. После чего открывают клапан подъема давления и клапан линии выдачи жидкости, повышая давление в сосуде, направляя сжиженный газ по линии подъема давления через регулятор давления в испаритель, затем в линию сброса газа и через Г-образную трубу вводя во внутреннюю полость сосуда, содержащего газовую фазу, обеспечивая подачу сжиженного газа через П-образную трубу по линии выдачи жидкости потребителю. При этом поддержание давления внутри сосуда на постоянном уровне обеспечивают с помощью дроссельного элемента, обеспечивающего возможность поступления газовой фазы внутрь П-образной трубы и смешения ее с жидкой фазой.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытыми выше признаками криогенный сосуда, является возможность долговременного хранения в нем криогенных жидкостей за счет применения в конструкции устройства сосуда внутреннего, установленного в полом кожухе и вакуумирования пространства между сосудом и кожухом, что обеспечивает хорошую теплоизоляцию и минимальные потери тепла при хранении жидкостей. Автоматическая выдача криогенных жидкостей из сосуда потребителю под заданным давлением обеспечивается наличием в устройстве линии выдачи жидкости потребителю, включающей в себя П-образную трубу, установленную внутри сосуда внутреннего, при этом способ выпуска сжиженного газа из сосуда обеспечивается управлением работой линии подъема давления, сообщающейся со внутренней полостью сосуда, содержащей регулятор давления, и наличием дроссельного элемента.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан криогенный сосуд в разрезе в изометрической проекции, на фиг. 2 представлена гидравлическая схема наполнения криогенного сосуда, на фиг. 3 представлена гидравлическая схема выпуска сжиженных газов из сосуда (выдачи жидкости потребителю), на фиг. 4 представлена конструкция трубы П-образной трубы, а на фиг. 5 показана схема установки экономайзера на П-образной трубе.

Криогенный сосуд устроен следующим образом.

Он состоит из сосуда 1 внутреннего, установленного внутри полого кожуха 2, при этом пространство между сосудом 1 внутренним и кожухом 2 отвакуумировано и заполнено теплоизоляционным материалом, в качестве которого использованы теплоизоляционные маты. Сосуд 1 внутренний состоит из обечайки 3, левого днища 4 и правого днища 5, при этом в левом днище 4 установлены линия сброса 6 газа, снабженная клапаном 7, линия заправки сосуда 8 жидкостью, снабженная клапаном 9, линия выдачи 10 жидкости потребителю, снабженная клапаном 11 и линия подъема давления 12. На линии подъема давления 12 последовательно установлены уровнемер 13, дренажный штуцер 14, который используется для продувки линии 12 при необходимости, клапан подъема давления 15, регулятор давления 16, испаритель 17, предохранительные клапаны 18, клапан манометра 19 и манометр 20, при этом на линии подъема давления 12 после испарителя 17 выполнен отвод к линии сброса 6 газа.

Предохранительные клапаны 18 предназначены для экстренного сброса давления из внутреннего сосуда во избежание его разрушения. Если давление во внутреннем сосуде превысит максимально допустимое, вследствие естественного роста давления, повреждения изоляционного слоя, разгерметизации арматуры, повреждения вакуумной полости, произойдет срабатывание одного из предохранительных клапанов 18 для сброса излишнего давления.

Регулятор давления 16 (на фигурах условно не показан), установленный на линии подъема давления 12, состоит из муфты с внутренним продольным отверстием, с закрепленным на ней полым корпусом в котором на штоке установлен подпружиненный пружиной запорный элемент в виде пластины, выполненный с возможностью частичного или полного перекрытия отверстия муфты, при этом на верхнем торце запорного элемента установлена регулировочная пружина, поджатая через шайбу регулировочным винтом завинченным в отверстие, выполненное в верхней части корпуса, и снабженным контргайкой.

Линии сброса 6 газа и заправки сосуда 8 жидкостью представляют собой Г-образные трубы 21 и 22, линия подъема давления 12 выполнена в виде змеевика, а линия выдачи 10 жидкости потребителю включает в себя П-образную трубу 23, установленную внутри сосуда внутреннего, в верхней части которой выполнено отверстие диаметром 4 мм и посредством сварки закреплен экономайзер - дроссельный элемент 24 в виде шайбы с внутренним коническим отверстием, при этом входной диаметр отверстия, сообщающегося с внутренней полостью трубы 23, составляет 2 мм, а диаметр выходного отверстия, сообщающегося с полостью сосуда 1, составляет от 0,7 до 0,8 мм.

Наполнение криогенного сосуда сжиженным промышленным газом осуществляют следующим образом.

Первоначально подсоединяют рукав для перелива криогенных жидкостей к контейнеру для транспортировки сжиженных газов и поднимают давление в емкости до 0,02÷0,03 МПа (0,2÷0,3 кгс/см²). Далее приоткрывают сливной вентиль контейнера и продувают рукав парами жидкого продукта, после чего сливной вентиль емкости закрывают, присоединяют рукав для перелива к штуцеру клапана 9 линии заправки сосуда 8 жидкостью и открывают клапан 7 линии сброса 6 газа. Затем поднимают давление в контейнере для транспортировки сжиженных газов на величину, не превышающую рабочего давления криогенного сосуда и составляющую 1,6 МПа, и открывают сливной вентиль контейнера, осуществляя перелив жидкого продукта в криогенный сосуд. Во время перелива осуществляют визуальный контроль клапана 7 линии сброса 6 газа и при появлении в его отверстии капель жидкости, что свидетельствует о полном заполнении криогенного сосуда, закрывают сливной вентиль контейнера для транспортировки сжиженных газов, клапаны 7 и 9, а затем отсоединяют рукав от штуцера клапана 9 линии заправки сосуда 8 жидкостью.

Способ выпуска сжиженного промышленного газа из сосуда (выдачу газа потребителю) осуществляют следующим образом.

Первоначально подсоединяют к штуцеру клапана 11 линии выдачи 10 жидкости трубопровод потребителя. Далее открывают клапан подъема давления 15 и клапан 11 линии выдачи 10 жидкости, при этом давление в сосуде повышается до рабочего, после чего сжиженный газ поступает потребителю по линии выдачи жидкости, расход которой контролируют с помощью уровнемера 13. Повышение давления и сохранение его на рабочем уровне обеспечивается за счет того, что сжиженный газ по линии подъема давления 12 через регулятор давления 16 поступает в испаритель 17, откуда газ, испаряясь, поступает в линию сброса 6 газа и через Г-образную трубу 21 вводится во внутреннюю полость сосуда, содержащего газовую фазу продукта. При повышении давления в сосуде газ через дроссельный элемент 24 (экономайзер) начинает поступать внутрь П-образной трубы 23, смешиваясь при этом с жидкой фазой продукта, за счет чего давление в сосуде снижается.

При малом потреблении газа жидкость, попадая в трубопровод выдачи, вызывает интенсивный рост давления, превышающий расход потребителя. Встроенный дроссельный элемент (экономайзер) предотвращает попадание жидкости в трубопровод выдачи при небольших расходах, подавая газ из газовой подушки внутреннего сосуда, не повышая давление при выдаче.

После окончания выпуска сжиженного технического (промышленного) газа клапан 11 линии выдачи 10 жидкости закрывают.

Уровень рабочего давления, требуемого для выдачи сжиженного газа потребителю, может быть предварительно установлен с помощью настройки регулятора давления 16 следующим образом.

Предварительно заполняют криогенный сосуд сжиженным техническим (промышленным) газом, затем, вращая регулировочный винт регулятора давления 16 против часовой стрелки, переводят запорный элемент регулятора в крайне верхнее положение, после чего открывают клапан подъема давления 15 и клапан манометра 19, затем в течение часа снимают показания манометра 20 до тех пор, пока давление в сосуде не выровняется. Для настройки величины необходимого рабочего давления в линии 12 вращают регулировочный винт по/против часовой стрелки. При необходимости снизить давление в сосуде закрывают клапан подъема давления 15 и открывают клапан 7 линии сброса 6 газа. После окончания настройки фиксируют положение регулировочного винта контргайкой.

Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке криогенный сосуд со встроенным экономайзером является высокотехнологичным устройством, рассчитанным на продолжительный срок службы, позволяющим автоматически выдавать потребителю сжиженные технические газы, хранящиеся рабочей температуре от -196°С.

Изобретение относится к конструкции криогенных сосудов высокого давления и способам выпуска из них сжиженных газов. Криогенный сосуд состоит из сосуда внутреннего, установленного внутри полого кожуха, при этом пространство между сосудом внутренним и кожухом вакуумировано и заполнено теплоизоляционным материалом. В левом днище сосуда установлены линия сброса газа, линия заправки сосуда жидкостью, линия выдачи жидкости потребителю и линия подъема давления, каждая из которых выведена через кожух в атмосферу и снабжена клапанами. На линии подъема давления последовательно установлены уровнемер, дренажный штуцер, клапан подъема давления, регулятор давления, испаритель, предохранительные клапаны, клапан манометра и манометр, при этом на линии подъема давления после испарителя выполнен отвод к линии сброса газа. Линия выдачи жидкости потребителю включает в себя П-образную трубу, установленную внутри сосуда внутреннего, в верхней части которой выполнено отверстие и установлен дроссельный элемент в виде шайбы с внутренним коническим отверстием. Техническим результатом изобретения является возможность долговременного хранения криогенных жидкостей и автоматической выдачи их потребителю под заданным давлением. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Криогенный сосуд, содержащий сосуд внутренний, установленный внутри полого кожуха, при этом пространство между сосудом внутренним и кожухом вакуумировано и заполнено теплоизоляционным материалом, отличающийся тем, что в левом днище сосуда внутреннего установлены линия сброса газа, линия заправки сосуда жидкостью, линия выдачи жидкости потребителю и линия подъема давления, каждая из которых выведена через кожух в атмосферу и снабжена клапанами; на линии подъема давления последовательно установлены уровнемер, дренажный штуцер, клапан подъема давления, регулятор давления, испаритель, предохранительные клапаны, клапан манометра и манометр, при этом на линии подъема давления после испарителя выполнен отвод к линии сброса газа; линия выдачи жидкости потребителю представляет собой П-образную трубу, в верхней части которой выполнено отверстие и установлен дроссельный элемент в виде шайбы с внутренним коническим отверстием.

2. Криогенный сосуд по п. 1, отличающийся тем, что в качестве теплоизоляционного материала использованы теплоизоляционные маты.

3. Криогенный сосуд по п. 1, отличающийся тем, что диаметр отверстия, выполненного в верхней части П-образной трубы, составляет 4 мм.

4. Криогенный сосуд по п. 1, отличающийся тем, что диаметр входного отверстия шайбы, сообщающегося с внутренней полостью трубы, составляет 2 мм.

5. Криогенный сосуд по п. 1, отличающийся тем, что диаметр выходного отверстия шайбы, сообщающегося с полостью сосуда, составляет от 0,7 до 0,8 мм.

6. Способ выпуска сжиженного газа из сосуда по п. 1, включающий подсоединение к штуцеру клапана линии выдачи жидкости трубопровода потребителя, отличающийся тем, что открывают клапан подъема давления и клапан линии выдачи жидкости, повышая давление в сосуде, направляя сжиженный газ по линии подъема давления через регулятор давления в испаритель, затем в линию сброса газа и через Г-образную трубу вводя газ во внутреннюю полость сосуда, содержащего газовую фазу, обеспечивая подачу сжиженного газа через П-образную трубу по линии выдачи жидкости потребителю, при этом поддержание давления внутри сосуда на постоянном уровне осуществляют с помощью дроссельного элемента, обеспечивающего возможность поступления газовой фазы внутрь П-образной трубы и смешения ее с жидкой фазой.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что уровень давления, требуемого для выпуска сжиженного газа, предварительно устанавливают с помощью настройки регулятора давления, при этом предварительно заполняют криогенный сосуд сжиженным техническим газом, затем переводят запорный элемент регулятора в крайне верхнее положение, после чего открывают клапан подъема давления и клапан манометра, затем в течение часа снимают показания манометра до тех пор, пока давление в сосуде не выровняется; для настройки величины необходимого рабочего давления в линии подъема давления вращают регулировочный винт регулятора по/против часовой стрелки; после окончания настройки фиксируют положение регулировочного винта контргайкой.