Установка для разделения газовых смесей Советский патент 1986 года по МПК F25J3/00 F25B9/02 

Изобретение относится к холодильным установкам с вихревыми трубами, используемым, в частности, для охлаждения и разделения газовых смесей, например воздуха, на два потока, один из которых обогащен азотом, а второй кислородом.

Известна установка для разделения газовой смеси, содержащая компрессор, на линии нагнетания которого последовательно расположены теплообменники, последний из которых подключен к ступенчатому вихревому энергоразделителю с вихревыми трубами, имеющими сопловые вводы и выходы охлажденного и нагретого потоков.

Холодопроизводительность известной установки недостаточна для получения компонентов смеси в жидком виде. В этой установке нижекипящий компонент смеси, получаемый из вывода охлажденного потока вихревой трубы первой ступени энергоразделителя, находится всегда в газообразном состоянии. Ожижение этого компонента можно произвести с помощью дополнительной холодильной мащины, например газовой холодильной мащины, работающей на более низком температурном уровне. Однако при этом значительно возрастают затраты энергии, повыщаются вес и габариты установки.

Целью изобретения является повыщение холодопроизводительности установки.

Поставленная цель достигается тем, что установка дополнительно содержит эжектор с активным и пассивным соплами и выходным патрубком, сепаратор с выходами жидкости и газа и испаритель с охлаждаемой и испаряемой полостями, причем охлаждаемая полость испарителя подключена к выходу охлажденного газа вихревой трубы первой ступени энергоразделителя, а испаряемая полость - к выходу жидкости из сепаратора и пассивному соплу эжектора, вход сепаратора подключен к сопловому вводу вихревой трубы первой ступени энергоразделителя, а выход газа из него - к активному соплу эжектора, выходной патрубок которого соединен с сопловым вводом вихревой трубы второй ступени энергоразделителя.

На чертеже изображена схема предлагаемой установки.

Установка содержит компрессор I, на линии нагнетания которого последовательно расположены теплообменники 2-4. Теплообменник 4 подключен к ступенчатому вихревому энергоразделителю с вихревыми трубами 5 и б, имеющими сопловые вводы 7 и 8 и выходы охлажденного 9 и 10 и нагретого 11 и 12 потоков. Установка также содержит эжектор 13 с активным 14 и пассивным 15 соплами и выходным патрубком 16, сепаратор 17 с выходом 18 жидкости и выходом 19 газа и испаритель 20 с охлаждаемой 21 и испаряемой 22 полостями. Охлаждаемая полость 21 испарителя 20 подключена к выходу 9 охлажденного газа вихревой трубы 5 первой ступени энергоразделителя, а испаряемая полость 22 - к выходу 18 жидкости из сепаратора 17 и пассивному соплу 15 эжектора 13. Вход сепаратора 17 подключен к сопловому вводу 7 вихревой трубы 5 первой ступени энергоразделителя, а выход 19 газа - активному соплу 14 эжектора 13. Выходной патрубок 16 эжектора 13 соединен с сопловым вводом вихревой трубы второй ступени энергоразделителя. Выход 10 охлажденного потока вихревой трубы 6 второй ступени энергоразделителя соединен с теплообменником 4, а выход 12 нагретого потока через сепаратор 23 - с теплообменником 24,установленным параллельно теплоообменнику 2, и с вихревой трубой 6. Теплообменник 2 может быть регенеративного или рекуперативного типов. Теплообменник 3 подключен к охлаждающей линии и процесс охлаждения в нем может происходить без изменения или с изменением агрегатного состояния охлаждающей среды. Испаритель 20 конструктивно может быть выполнен кожухотрубным, пластинчатым, типа «труба в трубе и т. п., причем испаряемая полость может представлять собой как трубное, так и межтрубное пространство. Сепараторы 17 и 23 могут быть инерционного или центробежного типов.

Установка работает следующим образом.

Газовая смесь, например воздух, сжатая в компрессоре 1, после предварительного охлаждения поступает в теплообменник 2, где охлаждается обратными потоками газа, проходит теплообменник 3, снижает свою температуру путем подогрева или испарения промежуточного хладагента в охлаждающей линии, например переохлажденной жидкости, и поступает в теплообменник 4, в котором частично ожижается. Затем двухфазный поток разделяется на две части, одна из которых направляется в сопловой ввод 7 вихревой трубы 5, а другая - в сепаратор 17. В вихревой трубе 5 газовая смесь охлаждается с выделением одного или нескольких нижекипящих (например, азота) компонентов, которые выводятся в газообразном состоянии с холодного конца вихревой трубы 5 и направляются частично в охлаждаемую полость 21 испарителя 20, а остальное - последовательно в теплообменники 2-4. Газожидкостная смесь, поступающая в сепаратор 17, разделяется в нем на жидкую и газовую фазы. Жидкость подается в испаряемую полость 22 испарителя 20, а газ - в активное сопло 14 эжектора 13. При работе эжектора 13 в испаряемой полости 22 испарителя 20 создается разрежение, происходит интенсивное испарение жидкости, поступающей в полость, и конденсация газа, проходящего через охлаждаемую полость 21. Образовавшуюся в охлаждаемой полости 21 испарителя 20 жидкость направляют к потребителю, а пар из испаряемой полости 22 - в эжектор 13. Газ, выходящий из выходного патрубка 16 эжектора 13,

смешивается с газожидкостной смесью, выходящей с горячего конца вихревой трубы 5, и поступает в сопловой ввод 8 вихревой трубы 6. В вихревой трубе 6 происходит охлаждение смеси с выделением одного или нескольких кипящих (например, кислород) компонентов, которые в виде газожидкостной смеси выводятся через горячий конец вихревой трубы 6 и поступают в сепаратор 23. Отделенную в сепараторе 23 жидкость направляют потребителю или в теплообменник 24 на испарение и подогрев сжатой газовой смесью, а газ возвращают в вихревую трубу 6 со стороны горячего конца, а остальное - последовательно в теплообменники 2 и 4.

Таким образом, преимуществом предлагаемой установки является больщая холодопроизводительность, в результате чего можно получать в жидком виде один или несколько

КИПЯЩИХ компонентов (например, азота) охлаждаемой газовой смеси. Максимальное количество кипящего компонента, которое можно получить в предлагаемой установке составляет 50% от количества смеси, поступающей в вихревую, трубу.

Предлагаемое изобретение позволяет почти вдвое увеличить холодопроизводительность установки.

В результате использования изобретения возможно создание малогабаритной холодильной установки для транспортных средств с получением продуктов разделения охлаждаемой газовой смеси в жидком виде. При этом по сравнению с известной установкой не требуется дополнительных затрат энергии, а по сравнению с установками с газовой холодильной машиной затраты энергии снижаются на 0,15-0,2 кВт/кг смеси.

УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ, преимущественно воздуха, содержащая компрессор, на линии нагнетания которого последовательно расположены теплообменники, последний из которых подключен к ступенчатому вихревому энергоразделителю с вихревыми трубами, имеющими сопловые вводы и выходы охлажденного и нагретого потоков, отличающаяся тем, что, с целью повыщения холодопроизводительности, она дополнительно содержит эжектор с активным и пассивным соплами и выходным патрубком, сепаратор с выходами жид Лзсти и газа и испаритель с охлаждаемой и испаряемой полостями, причем охлаждаемая полость испарителя подключена к выходу охлажденного газа вихревой трубы первой ступени энергоразделителя, а испаряемая полость - к выходу жидкости из сепаратора и пассивному соплу эжектора, вход сепаратора подключен к сопловому вводу вихревой трубы первой ступени энергоразделителя, а выход газа из него - к активному соплу эжектора, выходной патрубок которого соединен с сопловым вводом вихревой трубы второй ступени энергоразделителя.