Автономная установка для получения сжиженного природного газа на основе воздухоохлаждаемой совмещенной машины стирлинга

 

Холодильная машина установки для получения сжиженного природного газа выполнена в виде машины Вюлемье-Такониса. Магистраль сжижения природного газа с регулирующими клапанами и расширительной емкостью проходит через теплообменник нагрузки (охладитель) машины Вюлемье-Такониса. Магистраль подачи природного газа с регулирующим клапаном связывает трубопровод природного газа повышенного давления с камерой сгорания машины Вюлемье-Такониса. Магистраль подачи воздуха с компрессором, теплообменником подогрева воздуха выхлопными газами и распределительным клапаном проходит через промежуточный теплообменник машины Вюлемье-Такониса и связывает окружающую среду с камерой сгорания. Использование изобретения позволит повысить эффективность при сжижении природного газа. 1 ил.

Изобретение относится к области криогенной техники, получения сжиженного природного газа и теплоиспользующих криогенных газовых машин, работающих по циклу Вюлемье-Такониса (совмещенный цикл "Стирлинг-Стирлинг").

Известно, что сжиженный природный газ рассматривается как перспективное жидкое топливо, а температура кипения сжиженных природных газов соответствует температуре -162^oC (113 K) (Нефтегазовая вертикаль./Анал. журнал 9 -10 (24-25). М., 1998, стр. 123/). Однако существует проблема высокоэффективного получения и хранения сжиженного природного газа как криогенной жидкости.

Известно, что для сжижения газов используются различные циклы, например с дросселированием или детандерные, однако в области криогенных температур (60 - 160 K) наиболее высокоэффективным циклом является цикл с холодильной машиной, работающей по циклу Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в 2 раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185 - 186).

Известны конструкция и принцип работы машины Вюлемье-Такониса, представляющей собой единую, механически замкнутую систему, состоящую из холодильной машины Стирлинга и двигателя Стирлинга, причем последний развивает такую мощность, которая необходима холодильной машине. Цикл осуществляется за счет подвода теплоты от внешнего источника. Машина Вюлемье-Такониса эффективно работает на криогенном уровне до 15K (Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978. - стр. 305-308).

Известна установка для сжижения газов и их хранения, содержащая холодильную машину и магистраль сжижения природного газа с дроссельным клапаном, проходящую через теплообменник нагрузки (охладитель) холодильной машины и связывающую трубопровод газообразного природного повышенного давления с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного природного газа (патент US N 3914949, F 25 J 1/02, 1975). Однако в целях повышения эффективности установки в целом целесообразно применить в качестве холодильной машины высокоэффективную машину Вюлемье-Такониса.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности систем и снижении материальных затрат при получении сжиженного природного газа.

Для достижения этого технического результата автономная установка для получения сжиженного природного газа, содержащая холодильную машину, выполненную в виде машины Вюлемье-Такониса, и магистраль сжижения природного газа с дроссельным клапаном, проходящую через теплообменник нагрузки (охладитель) холодильной машины и связывающую трубопровод газообразного природного газа повышенного давления с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного природного газа, снабжена магистралью подачи природного газа с регулирующим клапаном, связывающей трубопровод природного газа повышенного давления с камерой сгорания машины Вюлемье-Такониса и магистралью подачи воздуха с компрессором, теплообменником подогрева воздуха выхлопными газами и распределительным клапаном, проходящей через промежуточный теплообменник машины Вюлемье-Такониса и связывающей окружающую среду с камерой сгорания машины Вюлемье-Такониса, причем магистраль сжижения природного газа снабжена регулирующим клапанами и расширительной емкостью.

Введение в состав автономной установки для получения сжиженного природного газа магистрали подачи природного газа в камеру сгорания машины Вюлемье-Такониса и магистрали подачи воздуха, проходящей через промежуточный теплообменник машины Вюлемье-Такониса и теплообменник подогрева воздуха выхлопными газами, в камеру сгорания машины Вюлемье-Такониса позволяет получить новое свойство, заключающееся в сжижении природного газа при теплообмене с рабочим телом машины Вюлемье-Такониса за счет разницы их температур, а также в использовании природного газа как эффективного местного горючего и воздушного охлаждения машины, обеспечивающих высокую степень автономности установки в целом.

На чертеже изображена автономная установка для получения сжиженного природного газа.

Автономная установка для получения сжиженного газа состоит из машины Вюлемье-Такониса 1, в состав которой входит камера сгорания 2, промежуточный холодильник 3, теплообменник нагрузки (охладитель) 4. Движение и порядок распределения рабочего тела внутри машины 1 обеспечивается возвратно-поступательным движением поршневой группы и линиями (на чертеже не показано) двигателя и холодильной машины, образующий в совокупности машину Вюлемье-Такониса 1. В состав установки также входят: магистраль подачи природного газа 5 в камеру сгорания 2 машины 1 с регулирующим клапаном 6; магистраль подачи воздуха 7, проходящая через промежуточный теплообменник 3 машины 1, с компрессором 8, и теплообменником подогрева выхлопными газами 9 и распределительным клапаном 10; магистраль сжижения природного газа 11, проходящая через теплообменник нагрузки (охладитель) 4, с регулирующим клапаном 12, дроссельным клапаном 13, расширительной емкостью 14 и теплоизолированной емкостью 15 для хранения сжиженного природного газа. Газообразный природный газ может поступить в установку для его сжижения или из магистрального трубопровода 16 с повышенным давлением, или из емкостей с сжатым природным газом (на чертеже не показаны).

Автономная установка для получения сжиженного природного газа работает следующим образом.

В камеру сгорания 2 машины Вюлемье-Такониса 1 с помощью компрессора 8 подается воздух по магистрали 7 из окружающей среды, который предварительно проходит через промежуточный теплообменник 3 и подогревается в теплообменнике 9, а также природный газ по магистрали 5 через регулирующий клапан 6 из трубопровода 16 с природным газом повышенного давления. Образовавшееся в результате сгорания теплота передается рабочему телу двигателя машины Вюлемье-Такониса 1, за счет которого используют возвратно-поступательное движение поршневой группы машины 1, генерируется криогенный холод в теплообменнике нагрузки (охладителе) 4. Отработанные газы из камеры сгорания 2 поступают в теплообменник 9, где остаточным теплом подогревают воздух, подаваемый в камеру сгорания 2, а затем удаляются в окружающую среду. Воздух, подаваемый компрессором 8, проходит через промежуточный теплообменник 3, охлаждая машину 1, подогревается в теплообменнике 9 и с помощью распределительного клапана 10 в необходимом количестве поступает в камеру сгорания 2. Природный газ повышенного давления из трубопровода 16 по магистрали сжижения 11 через регулирующий клапан 12 поступает в дроссельный клапан 13, после которого, расширяясь, предварительно охлаждается, собирается в расширительной емкости 14 и поступает в теплообменник нагрузки 4, где сжижается за счет теплообмена с рабочим телом машины Вюлемье-Такониса 1. Затем сжиженный природный газ сливается в теплоизолированную емкость 15, предназначенную для хранения жидкого газа.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки: 1. Нефтегазовая вертикаль. /Аналитический журнал/ 9-10 (24-25), М., 1998, стр. 123.

2. Усюкин И. П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185 - 186.

3. Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978. - Стр. 305 - 38.

4. Патент US N 3914949, F 25 J 1/02, 1975 - прототип.

Формула изобретения

Автономная установка для получения сжиженного природного газа, содержащая холодильную машину и магистраль сжижения природного газа с дроссельным клапаном, проходящую через теплообменник нагрузки (охладитель) холодильной машины и связывающую трубопровод газообразного природного газа повышенного давления с теплоизолированной емкостью для хранения сжиженного природного газа, отличающаяся тем, что холодильная машина выполнена в виде машины Вюлемье-Такониса, а установка снабжена магистралью подачи природного газа с регулирующим клапаном, связывающей трубопровод природного газа повышенного давления с камерой сгорания машины Вюлемье-Такониса и магистралью подачи воздуха с компрессором, теплообменником подогрева воздуха выхлопными газами и распределительным клапаном, проходящей через промежуточный теплообменник машины Вюлемье-Такониса и связывающей окружающую среду с камерой сгорания машины Вюлемье-Такониса, причем магистраль сжижения природного газа снабжена регулирующим клапаном и расширительной емкостью.

РИСУНКИ

Рисунок 1