Низкотемпературная гелиевая компрессорная станция Советский патент 1988 года по МПК F25B11/00 

оо

О)

о

00

ел

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к компрессорным станциям гелиевых рефрижераторных установок.

Цель изобретения - снижение энергозатрат на сжатие гелия.

На чертеже приведена схема низкотемпературной гелиевой компрессорной станции.

Компрессорная станция включает в себя четыре контура. Основной гелиевый контур состоит из четырех отдельно выполненных одноступенчатых секций 1-4, низкотемпературного азотно- гелиевого теплообменника 5 и криореф рижератора 6. Силовой контур состоит из силового компрессора 7 с приводом от электродвигателя, высокотемпературного азотно-гелиевого теплообменника 8, четырех турбин 9-12, служащих для привода ступеней основного компрессора, и водяного -холодильника 13, Азотный контур содержит первую ступень 14 азотного компрессора с приводом от парожидкостного турбо- детандера 15, вторую ступень 16 азотного компрессора с приводом от электродвигателя, 17, промежуточный 18, концевой 19, азотно-гелиевый 8, азот но-азотный 20 и четьгрехпоточньш низкотемпературный азотно-гелиевый 5 теплообменники. Контур подпитки установки гелием в ожижительном режиме работы включает газгольдер 21 и теплообменник 5. Все четыре контура объединены между собой теплообменниками 5 и 8 и механическими связями между ступенями 1-4 основного гелиевого компрессора и приводными турбинами 9-12,

Станция работает следующим зом.

Гелий низкого давления с температурой 78 К поступает из криорефриже- ратора 6 на всасьшание в основной компрессор, сжимается последовательно в первой 1 и второй 2 секциях компрессора до давления 0,4 МПа и с температурой 158 К поступает в четырех- поточньй теплообменник 5, где, проходя через одну из его полостей, охлаждается до 80 К, затем сжимается по;- следовательно в третьей 3 и четвертой 4 ступенях компрессора до давления 1,6 МПа и с температурой 158 К поступает в другую полость теплообменника 5, где также охлаждается до

80 К, после чего подается в криореф- рижератор 6,

Охлаждение гелиевых потоков в теп- лообменнике 5 осуществляется парожид- костной азотной смесью, вырабатываемой в азотном холодильном контуре. Азот с давлением 0,1 МПа и температурой 295 К направляют на всасывание

в первую ступень 14 азотного центробежного компрессора, откуда подается в промежуточньй теплообменник 18, а после него - во вторзто ступень 16 азотного турбокомпрессора, где сжимается до давления 3 МПа. В установленном после азотного компрессора азот- но-гелиевом теплообменнике 8 часть тепла сжатия отводится в гелиевьй силовой контур, после чего сжатый азот

охлаждается до 300 К в концевом теплообменнике 19 и далее до 169 К в азотном теплообменнике 20, после чего расширяется до давления 0,1 МПа в парожидкостном турбодетандере 15 в

результате чего его температура понижается до 78 К и часть азота ожижа- ется. Парожидкостная смесь азота поступает в четырехпоточньй теплообменник 5, где используется для отвода

тепла сжатия в основном гелиевом компрессоре, Ожиженная часть азота в теплообменнике 5 испаряется, а образовавшийся при этом пар азота вместе с газообразным азотом нагревается до

150 К, после чего азот проходит через регенеративный азотньй теплообменник 20, где нагревается до 295 К, и поступает на всасывание в азотный компрессор. Таким образом, контур

представляет собой установку, выра- батьшающую холод, который расходуется на охлаждение ожижаемого в основном компрессоре гелия. Для привода первой ступени азотного компрессора

используется энергия, вырабатываемая турбодетандером 15, приводом второй ступени 16 азотного компрессора является электродвигатель 17.

Все четыре ступени основного компрессора имеют отдельные приводы, в качестве которых использованы одно- ступенчатые гелиевые турбины 9-12. Сжатый гелий поступает к этим турбинам от центробежного компрессора 7 с

приводом от электродвигателя. Гелий поступает в этот Koi mpeccop после расширения в параллельно включенных турбинах с давлением О,1 МПа и температурой 300 К. В процессе сжатия в

3

компрессоре 7 до давления 1,26 МПа гелий нагревается до 337 К. Для увеличения теплоперепада гет после сжатия в компрессоре нагревается в теплообменнике 8 до 434 К, после че направляется на расширение в приводные турбины, где он расширяется до давления 0,1 МПа. С целью повышения плотности гелия перед всасыванием в компрессор 7, что позволяет повысит степень сжатия в компрессоре без по вьш1ения частоты вращения ротора, гелий охлаждается водой в холодильнике 13 до 300 К.

При работе установки в режиме ожижения подпитка ее гелием осуществляется из газгольдера 21. При этом.гелий пропускается четвертым потоком через теплообменник 5, где он охлаждается до 80 К, после чего подается на всасьшание в секцию 1 гелиевого компрессора.

Формула изобретения

Низкотемпературная гелиевая компрессорная станция,содержащая многоступенчатый турбокомпрессор, имеющий

0

5

0

5

0

привод и связанный на входе непосредственно, а на выходе - через низкотемпературный азотно-гелиевый теплообменник с криогенным рефрижератором, и систему азотного охлаждения ступеней турбокомпрессора, о т л и ч а ю- щ а я с я тем, что, с целью снижения энергозатрат на сжатие гелия, привод турбокомпрессора вьтолнен в виде установленных на валах его ступеней гелиевых турбин, объединенных общим силовым гелиевым контуром, содержащим гелиевьй компрессор с внешним приводом, высокотемпературный азотно-ге- лиевый теплообменник и водяной холодильник, а система азотного охлаяу е- ния вьшолнена в виде замкнутого контура с двухступенчатым или многоступенчатым азотным турбокомпрессором, водяным, азотньм, промежуточными теплообменниками и газожидкостным турбо- детандером, причем высокотемператур- ньй и низкотемпературный азотно-ге- лиевые теплообменники включены в контур системы азотного охлаждения по азотным полостям, а турбодетандер и первая ступень азотного турбокомпрессора этого контура объединены в один агрегат с общим валом.

Изобретение позволяет снизить энергозатраты на сжатие гелия. Для этого гелиевые турбины 9, Ю, 11, 12 объединены общим силовым гелиевьм контуром, содержаищм гелиевый компрессор с внешним приводом, высокот- рный азотно-гелиевый теплообменник (ТО) 8 и водяной холодильник 13. Система азотного охлаждения выполнена в виде замкнутого контура с двухступенчатым или многоступенчатым азотным, турбокомпрессором, водяным, азотным, промежуточными ТО и газожидкостным турбодетандером 15. Высокот-рный и низкот-рньй азотно-гелиевые ТО 8 и 5 включены в контур системы азотного охлаждения, Охлаждение гелиевых потоков в ТО 5 осуществляется паро- жидкостной азотной смесью, вырабатываемой в азотном холодильном контуре. В установленном после азотного компрессора ТО 8 часть тепла сжатия отводится в гелиевый силовой контур. Контур вырабатывает холод, который расходуется на охлаждение ожижаемого в основном компрессоре гелия. 1 ил. (О (Л