Способ охлаждения газа и охладитель газа Советский патент 1984 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к способу и устройству для охлаждения газов и может быть, в частности,использовано в газовой промышленности для генерации холода в установках низкотемпературной сепарации природного , и попутного газов на нефтегазопромыслах и нефтеперерабатывающих заводах, а также в других областях,, например в холодильной и криогенной технике. Известен способ охлаждения газа путем поочередной подачи BEJCOKOCKOростной газовой струи в тбплоотводящие трубки, отвода тепла сжатия и вывода охлажденного потока газа к потребителю ll.oНедостатком способа является срав нительно малая холодопроизводительность. Она связана с тем, что газовая струя совершает веерообразное качание в одной плоскости, причем угол этого качания ограничен из-за высокой скорости истечения газа из сопла и сравнительно малого расстояния от сопла до входных отверстий теплоотводяйих трубок. В связи с эт длина дуги, на которой размещаются центры входных отверстий теплоотводя гдих трубок, весьма мала, в результат чего количество трубок, которое может быть использовано в конструкции реализующей такой способ, ограничегю Известен охладитель газа, содержа щий газораспределительную камеру с размещенным по ее оси соплом и подкл ченные к Kaiviepe теплоотводяаие труб ки (1-J, В этом охладителе реализуетс известный способ охлаждения газа. Недостатком охладителя газа явля ется сравнительно низкая х:олодопроизводительность, связанная с недсэс-татком способа, который реализуется в этом охладителе, изобретения - по ьчиение холодопроизводительности. Указанная цель достигается тем, что согласно способу охлаждения газа путем поочередной подачи высокоскоростной газовой струи в теплоотводящие трубки, отвода тепла сжатия и вывода охлажденного потока ,к потреби телю высокоскоростную газовую струю отклоняют от оси истечения,, а охлажденный поток закручивают вокруг этой оси и направляют навстречу газовой струе;. В охладителе газа, содержащем газораспределительную камеру с разме щенным по ее оси соплом и подключенные к камере теплоотводящие трубки, камера имеет форму тела вращения и снабжена конусообразным насадком, обращенным вершиной в сторону сопла и лопатками,установленными наклонно на боковой поверхности, а центры теплоотводящих трубок расположены на окружности пересечения мнимого конуса, вершина которого размешена на оси сопла, со стенками камеры. При этом охладитель дополнительно снабжеш управляющим пневмоцилиндром с подвижньтм поршнем, на торце которого со стороны камеры расположен насадок, си абженный лопатками. Предлагаемый способ заключается в том, что струю газа, вытекающую из сопла, принудительно заставляют совершать планетарное вращательное движение вокруг оси истечения. В результате длина линии, на которой могут быть размещены входные отверстия теплоотводящих трубок, существенно увеличивается, а следовательно, увеличивается и возможное количество трубок, что приводит к значительному повышению холодопроизводительности.. Охладитель газа снабжают устройством отклонения газовой струи от оси истечения и устройством закрутки газового потока. Благодаря совместному действию этих двух устройств струя получает возможность coBepiiiaTb вращательное движение вокруг оси истечения в отклоненном от нее состоянии по мнимому конусу, вер1иина которого расположена на оси сопла -На окружности пересечения этого мнимого конуса со стенкой или днищем газораспределительной камеры расположены входные отверстия теплоотнодящих трубок. , 1 представлен охладитель газа, у которого отклоняющее устройство расположено на донной поверхности газораспределительной камеры, а устройство закрутки газового потока размещено частично на донной и частич но на боковой поверхности камеры; на фиг, 2 - разрез А-Д на фиг. 1; на фиг. 3- вид Б . 1: на фиг, 4 - охладитель газа, у которого отклоняющее устройство размещено на рабочей поверхности подвижного поршня, а лопатки устройства закрутки на боковой поверхности камеры; на фиг. 5 - вариант исполнения, в котором отклоняющее устройство совмещено с устройством закрутки ,и расположено на рабочей поверхности подвижного гюрщня . Охладитель газа содержит газораспределительную камеру 1 с размешенным на ее оси соплом 2 и подключенные 1C камере 1 теплоотводящие трубки 3, Камера 1 имеет форму тела вращения -и снабжена конусообразным насадком 4, обращенным вершиной в сторону сопла 2, и лопатками 5, установленньтми наклонно на боковой поверхности б, а центры теплоотводящих трубок 3 расположены на окружности пересечения мнимого конуса, вер111ина которого размещена на оси сопла 2, со стенками камеры 1. Охладитель может содержать управляющий пневмоцилиндр 7 с подвижным поршнем 8, на торце которого со стороны камеры 1 расположен насадок 4, снабженный лопатками 9. Охладитель содержит также газоподводящий 10 и газоотводящий 11 патрубки. Входные отверстия 12 тепл отводящих трубок 3 могут быть разме щены как на донной 13 (Фиг, 1 и 5 так и на боковой 6 (фиг. 4 ) поверхностях камеры 1. Поршень 8 приводит ся при помощи выведенного наружу штока 14. Для дополнительной закрут ки газового потока устройство может иметь лопатки 15, установленные на донной поверх-ости 13 камеры 1 (фиг. 1 и Фиг. 2). В охладителе рол отклонителя струи играет конусообразный насадок 4, расположенный на днище камеры 1 или на рабочей повер ности подвижного Поршня В. Роль закрутки охлажденного газового пото ка играют лопатки 5 на боковой поверхности камеры 1 и лопатки 15 на донной поверхности. Для усиления эффекта закрутки указанные лопатки могут быть выполнены на обеих повер ностях одновременно. Кроме того, охладитель может быть снабжен также и устройством предварительной закрутки струи, которое в начальный период работы охладителя используется как ускоритель вывода его на рабочий режим, а затем участвует в обеспечении закрутки охлажденного газового потока. Пример такого устройства с лопатками 9 представлен на фиг. 5. Охладитель газа работает следующ образом. Подлежащий охлаждению газ подают через газоподводящий патрубок 10 в сопло 2, из которого газовая струя истекает со скоростью, близкой или большей, чем скорость звука. В начальный момент запуска охладителя в работу высокоскоростная газовая струя попадает в газораспределитель ную камеру 1, ударяется в ее днище и растекается по камере,а затем отв дится в йэбратном направлении (навст речу соплу 2) .Если вершина конусо образного насадка 4 смещена относи.тельно оси истечения газовой струи (такое смещение может быть как резу татом неточностей изготовления, так и предметом специального проектирования для ускорения вывода охладителя на рабочий режим) , то струя сразу же попадет на наклонную к направлению ее истечения поверхность и отклоняется ею от оси истечения, В связи с динамической несимметричностью отводимото газового потока и в связи с действием устройства его закрутки он начинает вращаться, увлекая во вращение и обтекаемую им газовую струю. Поскольку воздействи конусообразной поверхности насадка 4 постоянно, отклонение струи постепенно увеличивается, что вместе с ее вращением создает эффект планетарного вращения струи по мнимой конической поверхности. Через некоторое время после начала работы охладителя отклонение струи перестает увеличиваться, достигнув какого-то максимального значения. Поскольку входные отверстия 12 теплоотводящих трубок 3 расположены на окружности пересечения мнимого конуса со стенками камеры 1, газ в трубках 3, подвергаясь периодическому сжатию, вовлекается в циклический процесс, при котором он нагревается за счет диссипации энергии в ударных волнах и трения о стенки трубок. При этом выделяющееся тепло отводится либо в окружающую среду естественным путем, либо принудительным охлаждением. Газ струи, затратив энергию на нагрев в трубках, охлаждается и отводится из камеры 1 по газоотводящему патрубку 11, причем температура отводимого газа существенно ниже, чем подводимого. Увеличению скорости вращения газовой струи способствуют лопатки 5,15 и 9 (фиг. 1,4 и 5 ). Днище газораспределительной камеры 1 в той части, где расположены входные отверстия теплоотводящих трубок 3, може быть плоским, коническим или иной близкой к конусу формы. При этом желательно, чтобы плоскость входного отверстия была перпендикулярна к образующей мнимого конуса в месте ее прохода через поверхность дниша. Тогда сама теплоотводящая трубка будет как бы продолжением этой образующей, а трубки будут ермеобразно расходиться от камеры (как в случае расположения их входов на днище, так и в случае расположения на боковой поверхности). При выполнении теплоотводящих трубок 3 на боковой поверхности камеры 1 управляющий пневмоцилиндр 7 может быть продолжением камеры 1, (фиг. 4). Кроме этого, на вершине конусообразного насадка 4 может быть выполнен плоский срез, наклонный к оси насадка. В этом случае он в начальный момент запуска будет способствовать более быстрому выводу охладителя на рабочий режим,особенно, если при этом обеспечить некоторое вращение поршня 8 управляющего пневмоцилиндра 7. Технико-экономическая эффективность применения изобретения при всех вариантах обеспечивается благодаря наличию отклоняющего струю устройства для принудительной закрутки газового потока. За счет них струя совериает планетарное вращение, а не плоское качание. Планетарное движение струи приводит к тому, что

при прочих равных условиях существенно увеличивается периметр окружности следа струи на внутренней поверхности газораспределительной камеры { окружности пересечения мнимого конуса с камерой . В связи с этим в такой конструкции охладителя можно разместить большее число теплоотводящих трубок, количество которых существенно влияет на холодопроизводительность аппарата. Помимо этого, предлагаемое техническое решение по сравнению с известным позволяет упростить конструкцию (отпадает необходимость в наличии резонаторов/ и снизить при той же хладопроизводительности вес аппарата в целом. Технологичность предлагаемого устройства повышается за счет того, что изготовление газораспределительной камеры в виде тела вращения проще, чем с плоской формой.

1. Способ охлаждения газа путем поочередной подачи высокоскоростной газовой струи в теплоотводящие трубки, отвода тепла сжатия и вывода охлажденного потока к потребителю, отличающийся тем, что, с целью повышения холодрпроизводитёльности, высокоскоростную газовую струю отклоняют от оси истечения, а охлажденный поток закручивают вокруг этой оси и направляют навстречу газовой струе. 2. Охладитель газа, содержащий газораспределительную камеру с размещенным по ее оси соплом и подключенные к камере теплоотводящие трубки, отличающийся тем,что, с целью повышения хо;1оропроизводительности, камера имеет форму тела вращения и снабжена конусообразным насадком, обращенным вершиной в сторону сопла,- и лопатками, установленными наклонно на боковой поверхности, а центры теплоотводящих трубок расположены на окружности пересечения мнимого когнуса,вершина которого размещена на оси сопла, со стенками камеры. 3. Охладитель по п. 2, о т л и(Л чающийся тем, что он дополнительно содержит управляющий пневмоцилиндр с подвижным поршнем, на торце которого со стороны камеры расположен насадок, снабженный лопатками, s со о со 00 to

А-А

Фиг. 2

Вид В

Фиг. 3

/«