Криогенное конверсионное устройство Советский патент 1992 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к установкам получения жидкого параводорода.

Известны устройства для превращения водорода из ортомодификации в пара-модификацию - конверторы, и, в частности, адиабатные конверторы, состоящие из сосуда с присоединительными патрубками, заполненного катализатором, включаемым в линию прямого потока установок получения жидкого параводорода между теплооб- менными аппаратами.

Недостатком известных конверторов любой конструкции является то, что теплота, выделяющаяся при конвертировании, идет на нагрев водорода, и требуется последующее охлаждение, то есть дополнительные затраты энергии. Таким образом, в существующих конструкциях тепловой эффект конверсии не используется и приводит к тому же к дополнительным затратам энергии.

Цель изобретения - использование теплоты конверсии водорода для его компри- мирования, что обеспечит повышение экономической эффективности установок для получения жидкого параводорода.

Указанная цель достигается тем, что в криогенном конверсионном устройстве, состоящем из конвертора и линий охлажденного и сконвертированного водорода, входная сторона конвертора соединена через клапан с впускной полостью цилиндра с поршнем, связанным штоком с механизмом движения, а выходная сторона - непосредственное выпускной полостью цилиндра во входную линию перед конвертором включена впускная полость цилиндра с поршнем, соединенным штоком с механизмом движения с впускным и перепускным клапанами.

На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство; на фиг. 2 - характер изменения объемов полостей и параметров газа в функции перемещения поршня.

Устройство состоит из цилиндра двойного действия 1 с впускной полостью 2 и нагнетательной полостью 3, поршня 4 с пбршневым уплотнением, впускного клапана 5, перепускного клапана б, нагнетательного клапана 7, впускной линии охлажденного водорода 8, перепускного патрубка 9, адиабатного конвертора 10 и линии сконвертированого водорода 11, цилиндр 1 через проставку 12 из материала с низкой теплопроводностью соединен с корпусом механизма движения 13. Поршень 4 соединен штоком 14 с крейцкопфом 15. Шток 14 проходит через уплотнение в крышке 16 цилиндра 1 и в торцовой стенке проставки 17, крейцкопф 15 соединен с механизмом движения 18.

Криогенное конверсионное устройство является двухтактным и работает следующим образом.

Начальное положение - поршень находится в верхней точке и все клапаны закрыты.

Первый такт. При начале движения пор0 шня 4 вниз во впускной полости цилиндра 1 сначала происходит обратное расширение газа, находившегося в мертвом объеме, а затем начинается понижение давления и открывается впускной клапан 5. Через впуск5 ной патрубок 8 во впускную полость 2 цилиндра 1 поступает водород, предварительно охлажденный до температуры, при которой равновесная концентрация пара- модификации существенно сдвинута от ее

0 входного значения. Одновременно из нагнетательной полости 3 цилиндра 1 происходит выталкивание через нагнетательный клапан 7 в нагнетательный патрубок 11 находящегося там газа при практически посто5 янном давлении.

При достижении поршнем 4 нижнего положения впускная полость 2 будет заполнена водородом при давлении, меньшем входного на величину, определяемую гид0 равлическим сопротивлением линии впуска, включая и впускной клапан 5. В нагнетательной полости 3 цилиндра 1 остается газ в мертвом объеме и, кроме того, к цилиндру

1постоянно присоединен объем перепуск- 5 ного патрубка 9 за вычетом объема, занимаемого частицами катализатора в конверторе 10. Давление в этой полости определяется количеством тепла, выделившегося при конверсии в предыдущем цикле работы. В ниж0 ней точке все клапаны закрываются,

Второй такт. При движении поршня 4 вверх начинается расширение газа, находящегося в нагнетательной полости 3 цилиндра 1. Получаемая при этом работа через

5 поршень 4 передается непосредственно газу, находящемуся во впускной полости 2 цилиндра 1. За счет отбора работы температура газа в нагнетательной полости 3 понижается.

0 В то же время во впускной полости 2 за счет подводимой через поршень работы расширения происходит сжатие газа и повышение температуры. При достижении примерно равных значений давлений во

5 впускной 2 и нагнетательной 3 полостях происходит открытие перепускного клапана 6. Дальнейшее движение поршня 4 приводит к вытеснению газа из впускной полости

2цилиндра 1 в перепускной патрубок 9 и находящийся в нем конвертор 10 с катали:

затором и далее в нагнетательную полость 3 цилиндра 1 в условиях постоянного объема. При этом орто-модификация водорода, входя в контакте катализатором,превраща- ется в пара-модификацию с выделением тепла. В результате газ нагревается, а давление его повышается. Давление достигает максимального значения при достижении поршнем 4 верхнего положения. После этого цикл повторяется.

В процессе работы устройства в первом такте реализуются на большей части хода поршня А изотермно-изобарные процессы, причем внешняя работа необходима лишь для транспортировки газа и преодоления сопротивлений. Во втором такте до выравнивания давлений в полостях цилиндра 1 - адиабатные процессы расширения и сжатия, приближающиеся к изоэнтропным: после выравнивания давлений - изохорный процесс с повышением температуры за счет выделения тепла конверсии. Внешняя работа необходима для преодоления сопротивлений, в том числе и гидравлических. Следует подчеркнуть, что затрат внешней работы на сжатие газа не требуется, т. е. энергия к газу не подводится.

В устройстве, кроме потерь, обусловленных сопротивлениями возникают потери, сопряженные с утечками и перетечками.

В предлагаемой конструкции перетечки через поршневые уплотнения будут несколько снижать степень повышения давления, а утечки по штоку 14 могут быть собраны и отведены в тракт установки.

Проведенные расчеты показывают, что при подаче в машину нормального водорода

с концентрацией пара- модификации 25 % при входной температуре Т 22 К и давления Р 0,13 МПа возможная степень повышения давления составляет 2,6-3,3 в зависимости от величины принимаемых потерь.

Следует отметить, что температура водорода повышается настолько же, как и в обычном адиабатном конверторе, и требуется последующее охлаждение, но в предлагаемой машине достигается сжатие газа без дополнительных затрат энергии.

Формула изобретения Криогенное конверсионное устройство,

включающее конвертор, цилиндр с поршнем со штоком и механизмом движения, а также линии охлажденного и сконвертиро- ванного водорода, отличающееся тем, что, с целью повышения экономичности путем компенсации гидравлических потерь, входная сторона конвертора соединена через перепускной клапан с впускной полостью цилиндра, выходная сторона - непосредственно с выпускной полостью,

причем впускная и выпускная полости подключены к линиям охлажденного и сконвер- тированного водорода соответственно через впускной и вьтускной клапаны.

Использование: получение жидкого па- раводорода. Сущность изобретения: впускной клапан 5, перепускной клапан 6 и нагнетательный клапан 7 обеспечивают последовательную отсечку порций конвертируемого водорода, что позволяет использовать тепло конверсии для повышения давления сжижаемого водорода 1. 2 ил. 18 со с VJ С ю 4 О

Фиг. 2