способ работы устройства для охлаждения и устройство для охлаждения

Формула изобретения

1. Способ работы устройства для охлаждения, включающий подачу сжатого газа прямым потоком через рекуперативный теплообменник, через теплообменник и через расширитель в сосуд-накопитель, из которого газ подают обратным потоком в теплообменник и в рекуперативный теплообменник, при этом часть прямого потока подают на вход вихревой трубы, из которой холодный поток отводят в виде обратного потока в рекуперативный теплообменник, а горячий поток смешивают с обратным потоком, выходящим из рекуперативного теплообменника, отличающийся тем, что на вход вихревой трубы подают часть потока, выходящего из прямого канала рекуперативного теплообменника.

2. Способ работы устройства для охлаждения по п.1, отличающийся тем, что после выхода из прямого канала рекуперативного теплообменника и перед подачей на вход вихревой трубы газ осушают за счет пропускания через влагоотделитель (сепаратор) или влагопоглотитель.

3. Способ работы устройства для охлаждения по п.1, отличающийся тем, что поток сжатого газа перед рекуперативным теплообменником пропускают через дополнительный теплообменник, после рекуперативного теплообменника отделяют от потока часть, которую подают в вихревую трубу через этот же дополнительный теплообменник в виде обратного потока.

4. Устройство для охлаждения, содержащее рекуперативный теплообменник с прямым и обратным каналами, теплообменник с прямым и обратным каналами, расширитель, помещенный на выходе прямого канала теплообменника и соединенный с сосудом-накопителем, который также соединен с обратными каналами теплообменника и рекуперативного теплообменника, а также вихревую трубу, холодный конец которой соединен с входом обратного канала рекуперативного теплообменника, а горячий конец соединен с выходом обратного канала рекуперативного теплообменника, отличающееся тем, что вход вихревой трубы через тройник соединен с выходом прямого канала рекуперативного теплообменника.

5. Устройство для охлаждения по п.4, отличающееся тем, что вход вихревой трубы подключен к выходу прямого канала рекуперативного теплообменника через влагоотделитель (сепаратор) или влагопоглотитель.

6. Устройство для охлаждения по п.4, отличающееся тем, что вход вихревой трубы подключен к тройнику через обратный канал дополнительного теплообменника, а вход прямого канала рекуперативного теплообменника подключен к выходу прямого канала этого же дополнительного теплообменника.

7. Устройство для охлаждения по п.6, отличающееся тем, что дополнительный теплообменник выполнен трехпоточным и состоит из одной или двух секций.

8. Устройство для охлаждения по п.4, отличающееся тем, что вход вихревой трубы подключен к выходу прямого канала рекуперативного теплообменника через его дополнительный (третий) обратный канал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания охлаждающих и сжижающих устройств, работающих на использовании свойств расширяющегося газового потока.

Известен способ работы устройства для охлаждения по патенту РФ 2149324, включающий пропускание потоков газа через рекуперативный теплообменник, в том числе и через двухпоточную вихревую трубу, холодный поток которой смешивают с обратным потоком на входе в рекуперативный теплообменник, а горячий поток смешивают с обратным потоком на выходе из теплообменника [1].

Такой способ реализуется в конструкции, описанной в патенте РФ 2149324. При этом известное охлаждающее устройство содержит разделитель потока газа, рекуперативный теплообменник, холодильник и двухпоточную вихревую трубу, холодный патрубок которой подключен к входному патрубку обратного потока рекуперативного теплообменника, а горячий патрубок вихревой трубы подключен к выходному патрубку обратного потока теплообменника [1].

Однако согласно известному способу [1] на вход вихревой трубы неизбежно поступает неосушенный (влажный) газ, хотя известно, что влага, присутствующая в сжатом газе, всегда негативно влияет на характеристики вихревой трубы, что снижает КПД известного устройства для охлаждения.

Это является недостатком.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение указанного недостатка.

Как известно, при сжатии газа в компрессоре его относительная влажность неизбежно повышается, поэтому сжатый газ после компрессора и концевого холодильника почти всегда [2, с.57] имеет 100% влажность. При этом известно, что влага, содержащаяся в сжатом газе, резко ухудшает рабочие характеристики вихревой трубы [2, с.55].

Обычно для уменьшения влажности сжатого газа производят его осушку в специальных осушителях, работающих либо за счет поглощения влаги в адсорберах, либо за счет искусственного охлаждения всего потока газа и удаления образовавшегося конденсата.

В известном устройстве сжатый газ, проходя по прямому каналу теплообменника, охлаждается, поэтому появляется возможность его осушки.

Поставленная задача решается тем, что на вход вихревой трубы подается холодный поток, выходящий из прямого канала рекуперативного теплообменника, в котором происходит конденсация или вымораживание влаги, и на выходе из такого теплообменника представляется возможным влагу сепарировать (отделить от потока). Поэтому из сепаратора газ выходит уже подсушенным. Именно этот сухой газ необходимо подавать на вход вихревой трубы.

Фиг.1 поясняет предложение.

Входной патрубок 1 соединен со входом прямого канала 2 рекуперативного теплообменника 3. Выход прямого канала 2 через влагоотделитель (сепаратор) 4, тройник-разделитель 5, через прямой канал 6 теплообменника 7 и через пневмодроссель 8 соединен с сосудом-накопителем (холодильником) 9 жидкого газа. Верхняя полость холодильника 9 через канал обратного потока 10 теплообменника 7, через тройник-смеситель 11, через канал обратного потока 12 теплообменника 3 и через тройник-смеситель 13 соединена с выходом 14 устройства для охлаждения.

С тройником-разделителем 5 соединен вход 15 двухпоточной вихревой трубы 16, которая имеет еще горячий 17 и холодный 18 концы. Горячий конец 17 соединен с тройником-смесителем 13, а холодный 18 - с тройником-смесителем 11.

Рассматриваемое устройство для реализации предлагаемого способа работает следующим образом (фиг.1). Через входной патрубок 1 в канал прямого потока 2 рекуперативного теплообменника 3 поступает сжатый газ в исходном термодинамическом состоянии и выхолаживается от обратного потока 12.

Если температура газа в канале 2 не опускается ниже 273 К, то влага просто конденсируется в этом канале и на выходе из него может быть извлечена обычным сепаратором (влагоотделителем или влагопоглотителем). Такой влагоотделитель может монтироваться отдельным от теплообменника узлом 4 или же совмещаться в одной конструкции с выходной (нижней) частью канала 2.

Если температура газа в канале 2 опускается ниже 273 К, то влага намерзает на внутреннюю поверхность этого канала и может быть удалена за счет периодического размораживания теплообменника 3. В этом случае сепаратор 4 (наружный или внутренний) работает только в период размораживания теплообменника 3 для удаления образующейся влаги. Но и в период основной работы он может быть полезным в случае присутствия в газе тяжелых фракций (например, присутствие пропан-бутановой смеси в охлаждаемом или сжижаемом природном газе), которые начинают конденсироваться раньше, чем основной газ (метан). Такой сепаратор предварительно отделяет тяжелые фракции (в том числе и газоконденсат) и через тройник-разделитель 5 на вход 15 вихревой трубы 16, а также в прямой канал 6 теплообменника 7 поступает поток газа, свободный от капельной жидкости.

Поступая в вихревую трубу 16, газ вновь разделяется на два потока: горячий 17, имеющий повышенную температуру и направляющийся в тройник-смеситель 13, а также холодный 18, имеющий пониженную температуру и направляющийся в тройник-смеситель 11.

В прямом канале 6 теплообменника 7 газ дополнительно охлаждается от обратного потока 10 и через пневмодроссель 8 поступает в холодильник 9. В пневмодросселе газ дросселируется и сильно охлаждается, поэтому в нем образуются две фазы - жидкая и газообразная. Поступая в холодильник 9 (сосуд-накопитель), двухфазный поток разделяется: жидкость скапливается на дне, а очень холодная газообразная фаза уходит вверх, проходит через обратный канал 10 теплообменника 7, выхолаживая поток 6, проходит через тройник-смеситель 11, где смешивается с холодным потоком 18 вихревой трубы 16, и, получая дополнительную порцию холода, проходит через канал 12 теплообменника 3, подогревается от прямого потока 2, выхолаживая его, и, смешиваясь в тройнике-смесителе 13 с горячим потоком 17 вихревой трубы 16, еще более подогревается. В таком состоянии газ поступает на выход 14 устройства для охлаждения.

Подавая через сепаратор (влагоотделитель, влагопоглотитель) на вход вихревой трубы холодный поток, выходящий из прямого канала рекуперативного теплообменника, удается избежать попадания в вихревую трубу капельной влаги. А это позволяет повысить эффективность работы вихревой трубы, входящей в устройство для охлаждения по патенту РФ 2149324.

Однако, как показывают исследования, проведенные автором изобретения, существует явно выраженная прямая зависимость эффективности работы вихревой трубы от температуры входного потока. Так, выяснилось, чем ниже температура газа на входе в вихревую трубу, тем меньшая у нее температурная эффективность.

В вихревую трубу 16, изображенную на фиг.1 и питающуюся от выхода прямого потока теплообменника 3, после сепаратора 4 поступает хоть и сухой, но холодный газ, что не обеспечивает достаточной эффективности ее работы. Это является недостатком.

Кроме того, при подаче на вход 15 вихревой трубы 16 холодного газа ее горячий конец 17 будет вырабатывать холод вместо тепла, который тут же, без использования, сбрасывается через тройник-смеситель 13 на выход 14 из устройства. Это также является недостатком.

Для уменьшения указанных недостатков на вход вихревой трубы нужно подавать не холодный, а теплый газ. Для этого нужно из холодного потока, выходящего из сепаратора 4, возвратить в основной поток (рекуперировать) холод, тем самым согреть газ, поступающий на вход 15 вихревой трубы. С этой целью такой поток пропускают обратным потоком 19 через дополнительный рекуперативный теплообменник 20 (фиг.2). Прямым потоком 21 при этом служит поток, поступающий в канал 2 теплообменника 3. В результате холодный газ, поступающий на вход 15 вихревой трубы, нагревается в теплообменнике 20 от прямого потока 21. В свою очередь, входной поток 21 выхолаживается от потока 19.

Однако с помощью одного двухпоточного дополнительного рекуперативного теплообменника 20 (фиг. 2) не удается полностью рекуперировать (возвратить) холод, направляемый из теплообменника 3 на вход 15 вихревой трубы 16. Из обратного канала 12 теплообменника 3 на выход 14 будет сбрасываться полезный холод.

Полную рекуперацию можно реализовать либо с помощью двух дополнительных двухпоточных 21 и 22 (фиг.3), либо с помощью одного трехпоточного теплообменника. Такой трехпоточный теплообменник может устанавливаться либо перед основным теплообменником 3 в качестве дополнительного (поз.23, фиг.4), либо вместо основного 3 (поз. 25, фиг.5). То есть простейшим вариантом системы рекуперации холода, выходящего с потоком газа из рекуперативного теплообменника и направляемого на вход вихревой трубы, является выполнение этого теплообменника трехпоточным 25, имеющим один прямой 2 канал и два обратных канала 19 и 12, один из которых, например 19, используется для упомянутой цели.

При работе охлаждающего устройства в режиме ожижителя температура газа в прямом канале 2 теплообменника 3 опускается значительно ниже 273 К, поэтому влага, конденсируясь из газа, сразу же намерзает на внутренних поверхностях этого теплообменника, постепенно забивая канал 2. Поэтому работа такого ожижителя неизбежно сопровождается периодическими остановками для оттаивания льда, образовавшегося внутри канала 2.

Для обеспечения непрерывности работы всего устройства теплообменник-вымораживатель 3 необходимо дублировать таким же теплообменником-вымораживателем (дублер на рисунках не показан) и периодически их переключать специальной арматурой (вентили, клапаны и пр. не показаны), давая время для оттаивания внутреннего льда. На период оттайки прямого канала теплообменника-вымораживателя полезно его продувать теплым сжатым газом, например, от горячего конца вихревой трубы и на выходе собирать образующуюся влагу во влагосборнике, не допуская ее попадания в основные каналы устройства для охлаждения. Поэтому при такой продувке прямой канал 2 и влагоотделитель 4 отсекаются от основной части устройства. После оттаивания теплообменники меняются местами. Так обеспечивается непрерывность работы устройства для охлаждения.

Таким образом, подавая на вход вихревой трубы поток газа, выходящий из прямого канала рекуперативного теплообменника устройства для охлаждения по патенту РФ 2149324, а также пропуская этот поток через сепаратор или влагопоглотитель, удается осушить газ и тем самым повысить КПД такого устройства.

В этом состоит техническая сущность изобретения.

Источники информации

1. Артуров С.В., Белостоцкий Ю.Г., Никулихин В.Г., Смирнов А.П. Способ работы устройства для охлаждения и устройство для охлаждения. Патент РФ 2149324 от 26.03.1996 г.

2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. "Машиностроение", М., 1969.