Установка с криогенной машиной стирлинга для хранения сжиженных газов

 

Изобретение относится к криогенной технике, криогенным газовым холодильным машинам с гелием, работающим по обратному циклу Стирлинга, и хранению сжиженных газов, например природного газа. За счет внешних теплопритоков в верхней части емкости образуется выпар сжиженных газов. При достижении определенного давления срабатывает предохранительный клапан, что служит сигналом для включения холодильной машины. В результате этого газообразный выпар через предохранительный клапан, промежуточный теплообменник, турбину, расширительную емкость, дроссельный клапан поступает в конденсатор холодильной машины Стирлинга, где происходит его переконденсация. Переход выпара в жидкую фазу в конденсаторе холодильной машины создает необходимый перепад давлений. Затем сжиженный выпар сливается в сосуд Дьюара и насосом повышенного давления через обратный клапан подается в теплоизолированную емкость в виде сжиженного газа. Снижение температуры охлаждающей среды в системе охлаждения машины за счет теплообмена в промежуточном теплообменнике повышает холодильный коэффициент машины. Использование изобретения позволит снизить материальные затраты при хранении и использовании сжиженных газов, а также повысить безопасность эксплуатации и снизить экологическое загрязнение окружающей среды. 1 ил.

Изобретение относится к области криогенной техники, криогенных газовых холодильных машин с гелием в качестве рабочего тела, работающих по обратному циклу Стирлинга, и хранения сжиженных газов, например природного газа.

Известно, что для сжижения газов используются различные циклы, например с дросселированием или детандерные, однако в области криогенных температур (60-160K) 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).

Известно, что ввиду внешних теплопритоков в емкостях с криогенными жидкостями образуется выпар (пары сжиженных газов), количество которого зависит от многих факторов: формы емкостей; типов теплоизоляции и т.д. (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова, М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 250). Однако выброс выпара за пределы емкости для хранения сжиженных газов приводит либо к потери ценного продукта, либо к загрязнению окружающей среды.

Известно, что сжиженный природный газ рассматривается как перспективное жидкое топливо, а температура кипения сжиженных природных газов соответствует температуре -162^oC (113K) (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.

Известны технические решения для газификации сжиженных газов перед их раздачей потребителям с применением насосов высокого давления (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 287-288).

Известно устройство сосуда Дьюара для жидкого азота с вакуумно-порошковой изоляцией (Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202).

Известны технические решения газовых турбин, в которых энергия сжатого газа при расширении преобразуется в работу одновременно с понижением температуры газа (Чечеткин А. В., Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим. - техн. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1986, - стр. 307).

Известно устройство холодильной машины Стирлинга, содержащей поршневую группу, теплообменник нагрузки (конденсатор), регенератор, холодильник (патент РФ 2088776. Бюл. 24 от 27.08.97).

Известно устройство газовой холодильной машины "Филипса", работающей по обратному циклу Стирлинга, предназначенной для ожижения воздуха (Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М. , 1961, стр. 35). Однако использование жидкого воздуха в различных технологиях требует повышенных мер взрыво- и пожаробезопасности, а также ранее данные машины не применялись в технологиях для хранения сжиженного природного газа.

Известно устройство для хранения сжиженных газов, содержащее замкнутый контур выпара сжиженного газа, соединяющий емкость для хранения сжиженного газа с конденсатором холодильной машины и состоящий из линии газообразного выпара с промежуточным теплообменником и линии сжиженного выпара с сосудом Дьюара (патент GB N 1481726, F 25 J 1/02, 1977). Однако в качестве холодильной машины целесообразно использовать высокоэффективную криогенную машину Стирлинга.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности систем и снижении материальных затрат при хранении и использовании сжиженных газов, например природного газа, а также в повышении безопасности эксплуатации данных систем, снижении экологического загрязнения окружающей среды и получении дополнительной электрической энергии.

Для достижения этого технического результата установка с криогенной машиной для хранения сжиженных газов, содержащая замкнутый контур выпара сжиженного газа, соединяющий емкость для хранения сжиженного газа с конденсатором криогенной машины, выполненной в виде машины Стирлинга с контуром системы охлаждения, и состоящий из линии газообразного выпара с промежуточным теплообменником и линии сжиженного выпара с сосудом Дьюара, снабжена в линии газообразного выпара предохранительным клапаном, установленным за емкостью для хранения сжиженного газа перед промежуточным теплообменником, расширительной турбиной с электрогенератором на одном валу, размещенной за промежуточным теплообменником, расширительной емкостью и дроссельным клапаном, а линия сжиженного выпара снабжена насосом высокого давления, расположенным за сосудом Дьюара, и обратным клапаном, при этом контур системы охлаждения криогенной машины проходит через промежуточный теплообменник.

Введение в состав установки с криогенной машиной для хранения сжиженных газов криогенной машины, выполненной в виде машины Стирлинга, с контуром системы охлаждения, проходящим через промежуточный теплообменник линии газообразного выпара, расширительной турбины с электрогенератором на одном валу, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности переконденсации выпара сжиженных газов в конденсаторе криогенной машины Стирлинга с последующим его сливом в емкость для хранения сжиженных газов, получении полезной энергии при расширении газа в турбине, а также повышении холодильного коэффициента криогенной машины Стирлинга за счет снижения температуры системы охлаждения и снижении затрат мощности криогенной машины за счет применения дросселирования газообразного выпара.

На чертеже изображена установка с криогенной машиной для хранения сжиженных газов.

В состав установки входит криогенная машина Стирлинга 1, замкнутый контур выпара сжиженного газа, соединяющий теплоизолированную емкость для хранения сжиженного газа 2 с холодильной машиной 1 и состоящий из линии газообразного выпара 3 и линии сжиженного выпара 4. Криогенная машина Стирлинга, содержащая блок теплообменников: конденсатор 2 (теплообменник нагрузки); регенератор 6; холодильник 7. Линии сжиженного выпара 4 включает в себя сосуд Дьюара 8, насос высокого давления 9 с обратным клапаном 10. Линии газообразоного выпара 3 включает в себя предохранительный клапан 11, промежуточный теплообменник 12, расширительную турбину 13 с электрогенератором 14 на одном валу, расширительную емкость 15, дроссельный клапан 16. Через холодильник 7 криогенной машины Стирлинга 1 проходят трубопроводы подачи 17 охлаждающей среды и трубопроводы отвода охлаждающей среды 18 системы охлаждения машины 1, при этом трубопровод подачи 17 перед холодильником 7 предварительно проходит через промежуточный теплообменник 12.

Установка с криогенной машиной для хранения сжиженных газов работает следующим образом.

За счет внешних теплопритоков в верхней части емкости 2 образуется выпар сжиженных газов. При достижении определенного давления срабатывает предохранительный клапан 11, что служит сигналом для включения холодильной машины 1. В результате этого по линии 3 газообразной выпар высокого давления через предохранительный клапан 11 поступает в промежуточный теплообменник, где нагревается с повышением давления при теплообмене с охлаждающей средой системы охлаждения машины 1. Нагретый выпар сжиженного газа с высоким давлением поступает в расширительную турбину 13, где, расширяясь, охлаждается с получением полезной работы в виде электрической энергии в электрогенераторе 14, расположенном на одном валу с турбиной 13. Для увеличения перепада давлений до и после турбины 13 в линию 3 включена расширительная емкость 15. Далее выпар проходит через дроссельный клапан 16 с дальнейшим снижением температуры, а затем поступает в конденсатор 5 криогенной машины Стирлинга 1, где происходит его переконденсация. Переход выпара в жидкую фазу в конденсаторе 5 криогенной машины 1 создает необходимый перепад давлений во всей линии 3. Сжиженный выпар по линии 4 сливается в сосуд Дьюара 8 и насосом повышенного давления 9 через обратный клапан 10 подается в теплоизолированную емкость 2 в виде сжиженного газа.

Для повышения холодильного коэффициента криогенной машины 1 охлаждающая среда по трубопроводу 17 подается в холодильник 7, при этом предварительно охлаждается в промежуточном теплообменнике 12, передавая часть теплоты газообразному выпару сжиженного газа. После охлаждения машины 1 охлаждающая среда отводится по трубопроводу 18.

Источники информации 1. Усюкин И. П. Установка, машины и аппараты криогенной техники. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186.

2. Р. Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова, М.: Изд. иностр. литер., 1962, ст. 250.

3. Нефтегазовая вертикаль. /Аналитический журнал/ 9-10 (24-25), М., 1998, стр. 123.

4. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 287-288.

5. Соколов Е. Я. , Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., - М.: Энергоиздат, 1981, стр. 202.

6. Чечеткин А. В., Занемонец Н.А. Теплотехника: Учеб. для хим.-технол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1986, - стр. 307.

7. Патент РФ 2088776. Бюл. 24 от 27.08.97.

8. Вопросы глубокого охлаждения. /Сб. статей под ред. проф. М.П. Малкова/. Изд.: "Иностр. литература", М., 1961, стр. 35.

9. Патент GB N 1481726, F 25 J 1/02, 1977 - прототип.

Формула изобретения

Установка с криогенной машиной для хранения сжиженных газов, содержащая замкнутый контур выпара сжиженного газа, соединяющий емкость для хранения сжиженного газа с конденсатором криогенной машины и состоящий из линии газообразного выпара с промежуточным теплообменником и линии сжиженного выпара с сосудом Дьюара, отличающаяся тем, что криогенная машина выполнена в виде машины Стирлинга с контуром системы охлаждения, причем линия газообразного выпара снабжена предохранительным клапаном, установленным за емкостью для хранения сжиженного газа перед промежуточным теплообменником, расширительной турбиной с электрогенератором на одном валу, размещенной за промежуточным теплообменником, расширительной емкостью и дроссельным клапаном, а линия сжиженного выпара снабжена насосом высокого давления, расположенным за сосудом Дьюара и обратным клапаном, при этом контур системы охлаждения криогенной машины проходит через промежуточный теплообменник.

РИСУНКИ

Рисунок 1