Способ создания высоких и сверхвысоких давлений

 

Изобретение относится к области физико-технических проблем создания сверхвысоких давлений, преимущественно сверхвысоких давлений в области сверхкритического состояния вещества. Способ создания высоких и сверхвысоких давлений, заключающийся в том, что осуществляют процесс термического циклирования рабочего тела в компрессионной камере путем замораживания и плавления и/или газификации рабочего тела. Процесс шлюзования рабочего тела в последующую смежную компрессионную камеру осуществляют путем открывания выхода из компрессионной камеры, находящейся в режиме плавления и/или газификации рабочего тела. Используют два или более параллельных каскадов, каждый из которых включает последовательно соединенные компрессионные камеры. Запуск процесса термического циклирования рабочего тела осуществляют во входной компрессионной камере первого каскада путем замораживания рабочего тела за счет отбора тепла стартовым рефрижератором и последующего плавления и/или газификации рабочего тела за счет подвода тепла тепловым трансформатором от одноименной входной компрессионной камеры параллельно действующего каскада, в котором за счет отбора тепла осуществляют замораживание подаваемого туда рабочего тела. Предложенный способ направлен на повышение кпд термоциклирования и экономической эффективности за счет уменьшения потерь давления рабочего тела и надежности в осуществлении термоциклирования рабочего тела. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области физико-технических проблем создания высоких и сверхвысоких давлений, преимущественно сверхвысоких давлений в области сверхкритического состояния веществ.

Известны термокомпрессоры, содержащие последовательно расположенные через общие теплоизолирующие стенки камеры, сообщенные между собой через отсеченные клапаны, и устройства для нагрева и охлаждения сжимаемого газа. Каждое из устройств для нагрева и охлаждения сжимаемого газа выполнено в виде двух снабженных управляемыми клапанами и соединенных параллельно ветвей трубопровода, причем одна из ветвей устройства для нагрева и ветвь устройства для охлаждения введены в нечетные камеры /см. Авторские свидетельства СССР 1629596, 1059247, F 04 B 19/24, 1991; 1983/.

В качестве аналога принято Авторское свидетельство СССР 1059247, в качестве прототипа - Авторское свидетельство СССР 1629596.

Задачей изобретения является повышение КПД термоциклирования, экономической эффективности за счет уменьшения потерь давления рабочего тела и надежности в осуществлении термоциклирования рабочего тела. Технический результат достигается термоциклированием с фазовым превращением рабочего тела, уменьшением потерь давления рабочего тела.

Работа термокомпрессоров основана на способе создания сверхвысоких давлений, включающем последовательное заполнение компрессионных камер рабочим телом, последовательно охлаждаемым и нагреваемым с помощью хладагента и теплоносителя, с последующим воздействием на рабочее тело давлением и его перемещение из нечетных в четные компрессионные камеры с одновременным охлаждением, а в первую компрессионную камеру подают новую порцию рабочего тела и далее термоциклирование повторяют.

Изобретение поясняется прилагаемыми принципиальными схемами осуществления заявляемого способа на примере использования двух параллельно работающих каскадов как минимально возможного их количества, имея при этом в виду, что наращивание числа таких запараллеленных каскадов принципиально не ограничивается. На схемах условно обозначены лишь основные функциональные элементы и их взаимосвязи.

На фиг.1 представлена схема взаимосвязи двух каскадов на момент условно начальной нулевой фазы производимого термоциклирования.

На фиг.2 - то же, в противофазе, т.е. со сдвигом фаз между каскадами на 180^o, характерным для случая двухкаскадной реализации данного способа.

Сущность изобретения Способ создания высоких и сверхвысоких давлений включает последовательное заполнение компрессионных камер рабочим телом, последовательно охлаждаемым и нагреваемым с помощью хладагента и теплоносителя, с последующим воздействием на рабочее тело давлением и его перемещение из нечетных в четные компрессионные камеры с одновременным охлаждением, а в первую компрессионную камеру подают новую порцию рабочего тела и далее термоциклирование повторяют. Способ отличается тем, что рабочее тело подвергают фазовым переходам из твердого в жидкое и/или газообразное состояние с одновременным подъемом температуры и давления при термоциклировании рабочего тела при одновременном осуществлении его однонаправленного шлюзования через два или более параллельно действующих каскадов из компрессионных камер, а запуск процесса термоциклирования рабочего тела осуществляют во входной нечетной компрессионной камере с использованием стартового рефрижератора для рабочего тела, а размораживают эту компрессионную камеру за счет утилизированного тепла, забираемого через соответствующий тепловой трансформатор от одноименной входной компрессионной камеры параллельно действующего каскада, в котором за счет отбора тепла одновременно осуществляют очередное замораживание подаваемого туда исходного рабочего тела.

Производимое термоциклирование рабочего тела в смежных каскадах компрессионных камер осуществляют в противофазе.

Скрытую теплоту фазовых переходов рабочего тела передают между смежными компрессионными камерами противофазных каскадов при термоциклировании в направлении повышения давления рабочего тела в последующих смежных компрессионных камерах при термоциклировании до заданной регулируемой величины в выходной камере.

В качестве исходного рабочего тела используют низкотемпературные газообразные вещества, например гелий.

Достигаемый изобретением технический результат заключается в повышении КПД термоциклирования, экономической эффективности за счет уменьшения потерь давления рабочего тела и надежности в осуществлении термоциклирования рабочего тела.

На схемах фиг.1 и 2 условно обозначены: А - первый каскад, состоящий из цепочки последовательно соединенных компрессионных камер ls, 2s....Ns, находящихся в указанный момент в режиме замораживания в них рабочего тела (с индексом S), а то же самое, но с индексом f - в режиме плавления и(или) газификации; K₁; K₂. ..Kn - разделительные шлюзовые клапаны (затворы) на каналах сообщения переходных, камер; Qr - отвод тепла внешним, в частности, стартовым рефрижератором; Q₁; Q₂. ..Qn подвод тепловой энергии от внешних источников, в том числе от низкопотенциальных; T_1,2 - устройство передачи тепла от камеры 1 к камере 2, включающее в себя, например, тепловой трансформатор и (или) вариатор тепловых потоков, а также рекуперативные теплообменники (на схемах не показаны); T_2,1 - то же самое для передачи тепла от камеры 2 к камере 1 и т.д. с соответствующим индексным цифровым указанием направления потока тепла между другими компрессионными камерами; Т₁; Т₂. . . Tn - устройство передачи тепла между одноименными камерами каскадов, также включающее в себя тепловой трансформатор и(или) вариатор, а также рекуперативные теплообменники, на условно показанных возрастающих температурных уровнях; А' - второй каскад, в котором используются аналогичные функциональные элементы, условно указанные со штрихом;
K_B - выходной шлюзовой клапан (затвор);
С - выходной ресивер;
Д - выходной дроссель;
В - исходный питательный насос.

Тонкими линиями условно обозначены тепловые потоки по диагональным термическим связям между каскадами.

Способ осуществляют следующим образом.

Запуск начинают тем, что питательным насосом (В) через открываемый клапан K₁ исходное рабочее тело, например, в сжиженном состоянии подают во входную камеру 1s, в которой осуществляют его замораживание (под давлением нагнетания насоса) за счет соответствующего отбора тепла Qг внешним стартовым рефрижератором. Аналогично пусковые действия производят с другими входными камерами каскадов.

В последующем (при выходе на установившийся режим) замораживание рабочего тела во входных камерах, или по другому в первых ступенях используемых двух или более каскадов, осуществляют за счет отвода тепла по трем направлениям (из общего унифицированного перечня пяти принципиально возможных для этого направлений).

Первое направление - отвод тепла к тем одноименным (по порядковому номеру) - компрессионным камерам параллельных каскадов, которые находятся на противоположной стадии производимого термоциклирования, т.е. на стадии размораживания. В данном случае это отвод тепла к камере 1'f второго каскада А'.

Второе - отвод Qг тепла внешним рефрижератором и(или) тепловым аккумулятором.

Третье - частичный отвод тепла к последующей смежной камере этого же каскада и(или) к эквивалентной камере параллельно работающих каскадов.

На фиг. 1 указанные направления теплоотвода условно обозначены T₁; Qr; Т_1,2 соответственно.

В рассматриваемой входной камере (первой ступени) каскада А переходят к осуществлению стадии расплавления и(или) газификации ранее замороженного рабочего тела. Перед этим закрывают входной клапан K₁ (при ранее закрытом - К₂).

Для стадии расплавления на первых ступенях каскадов в общем случае используют четыре тепловых источника (из общего унифицированного перечня пяти принципиально возможных источников).

Первый - подвод тепла от тех одноименных камер параллельных каскадов, которые в этот момент находятся на обратной стадии замораживания в них рабочего тела. В данном примере двухкаскадной схемы это означает подвод тепла взятого от камеры 1's второго каскада А' (см. фиг.2).

Второй - подвод тепла от внешнего источника низкопотенциальной тепловой энергии, например, от соответствующих ступеней совмещенных рефрижераторов и(или) ожижителей исходного рабочего тела.

Третий - подвод тепла от последующей смежной камеры этого же каскада и(или) от эквивалентной из параллельных каскадов, в данном случае - от камеры 2s.

Четвертый - от сравнительно более высокотемпературных камер параллельно действующих каскадов по так называемым диагональным термическим связям. На фиг.2 это условно обозначенная тонкими линиями передача тепла от камеры 3's.

После достижения в камере 1f определенного повышенного давления начинают сам процесс принудительного шлюзования рабочего тела с итоговой передачей части его в смежную камеру 2s. Для этого на связующем канале открывают шлюзовой клапан (затвор) К₂ при закрытом положении клапана К₃ (фиг.2).

Продолжая указанное термоциклирование, в камере 2s одновременно со шлюзованием переходят к осуществлению очередного замораживания подаваемого в нее рабочего тела из камеры 1f под соответственно повышенным давлением. При этом в общем случае на вторых ступенях каскадов возможно использование уже всех пяти направлений отвода тепла из унифицированного их общего перечня. Так, в дополнение к трем направлениям, ранее указанным для первых ступеней каскадов, для вторых ступеней добавляется:
четвертое направление - отвод тепла к предыдущим смежным камерам; в данном случае отвод тепла к камере 1f, из которой производят вышеуказанное шлюзование рабочего тела (см. фиг.2);
пятое - отвод тепла к сравнительно низкотемпературным камерам по диагональным термическим связям между каскадами (на фиг.2 это условно указано тонкой линией на примере такого отвода тепла от камеры 4s).

После завершения замораживания рабочего тела в полном объеме рассматриваемой камеры 2s закрывают шлюзовой клапан (затвор) К₂ и начинают осуществлять противоположную стадию термоциклирования, а именно размораживание этой камеры (см. 2f на фиг.1). Начиная с этой второй ступени каскада на всех последующих ступенях (камерах) при процессах размораживания могут быть использованы все пять принципиально возможных тепловых источников, т.е. к рассмотренному проведению такого процесса добавляется:
пятый тепловой источник - частичный подвод тепла от предшествующей смежной камеры этого же каскада и(или) от эквивалентной камеры других параллельно работающих каскадов, в данном случае, как показано на фиг.1, таковым источником является подвод тепла от камеры 1s через соответствующее теплопередающее устройство, условно обозначенное T_1,2.

В дальнейшем следует повторение действий в применении к рассматриваемой камере 2f с очередной передачей из нее аналогичным указанному шлюзованием части рабочего тела в камеру 3s, а затем следует аналогичное повторение действий для камеры 3s и т.д., продолжая подобное до конечной камеры (N) включительно.

Одновременно с рассмотренными действиями начинают запуск второго каскада. Запуск начинают также процессом замораживания исходного рабочего тела во входной камере 1's (см. фиг.2). Этот процесс тождественен изложенному для входной камеры первого каскада и лишь только сдвинут во времени, например, так, что для рассматриваемой двухкаскадной схемы фазовый сдвиг составляет 180 град. Соответственно, в противофазе осуществляют все последующие процессы во всех одноименных (по порядковому номеру) компрессионных камерах данного второго каскада до его конечной камеры (N') включительно. Указанный фазовый сдвиг имеет принципиальную значимость, о чем будет сказано особо.

Из конечных камер (N, N') с сохранением той же цикличности процессов замораживания - размораживания часть рабочего тела также на стадиях размораживания передают через выходные клапаны (Кв, К'в) в сборную буферную камеру (расходный ресивер) С. При этом соответственно учитывают возникающие термодинамические процессы дросселирования как выходными клапанами, так и общим расходным дросселем Д при завершающей выдаче рабочего тела с полученным сверхвысоким давлением.

Обобщая способ в целом, на фоне примененных порознь известных физических явлений и устройств характеризуется следующими наиболее существенными признаками.

1. Многокаскадностью. т.е. использованием двух и более параллельно работающих, но термически взаимосвязанных каскадов.

2. Характерной термической взаимосвязью между основными функциональными элементами каскадов по пяти направлениям теплоотводов и, соответственно, с использованием пяти тепловых источников, в т.ч. низкопотенциальной тепловой энергии.

3. Использованием в термических связях соответствующих устройств тепловых трансформаторов и(или) вариаторов тепловых потоков в сочетании с рекуперативным теплообменом.

При этом под вариатором тепловых потоков понимается устройство, реализующее обратный термодинамический цикл и усиливающее или ослабляющее теплообмен путем изменения разностей температур между средами и теплопроводящей стенкой при постоянных параметрах теплообменивающихся сред. В качестве таких устройств могут применяться компрессионные, полупроводниковые, абсорбционные и другие типы установок, способных реализовывать обратный цикл.

4. Фазовым сдвигом в функционировании запараллеленных каскадов. Благодаря этому, например, начиная с момента вышеуказанного запуска второго каскада, т. е. с момента начала замораживания рабочего тела во входной камере 1's (и далее при всех процессах замораживания) скрытую теплоту фазового перехода поочередно как бы перебрасывают между одноименными (по порядковому номеру) камерами противофазных каскадов, естественно, при минимальных температурных перепадах. Тем самым обеспечивают соответствующее ступенчатое продвижение рабочего тела своего рода галсами относительно встречного направления упоминавшейся линии фазового перехода "твердое тело - жидкость (газ)" с результирующим вхождением в область требуемых сверхвысоких давлений.

При количестве каскадов более двух фазовый сдвиг между ними устанавливают с распределением, определяемым общим количеством каскадов.

5. Компрессионные камеры каскадов защищают от разрушающих воздействий со стороны создаваемого внутреннего сверхвысокого давления применением модифицированного метода гидравлической поддержки, состоящего в том, что стенки компрессионных камер окружают слоем вспомогательного вещества и (или) слоем самого рабочего тела, которое при этом замораживают под соответствующим компенсационным давлением внешнего обжатия со стороны многослойного сосуда наружного силового корпуса. Сами компрессионные камеры при этом выполняют, например, в виде спиральных каналов с осевыми электроподогревательными зонами.

Формула изобретения

1. Способ создания высоких и сверхвысоких давлений, включающий последовательное заполнение компрессионных камер рабочим телом, последовательно охлаждаемым и нагреваемым с помощью хладагента и теплоносителя, с последующим воздействием на рабочее тело давлением и его перемещение из нечетных в четные компрессионные камеры с одновременным охлаждением, а в первую компрессионную камеру подают новую порцию рабочего тела и далее термоциклирование повторяют, отличающийся тем, что рабочее тело подвергают фазовым переходам из твердого в жидкое и/или газообразное состояние с одновременным подъемом температуры и давления при термоциклировании рабочего тела при одновременном осуществлении его однонаправленного шлюзования через два или более параллельно действующих каскадов из компрессионных камер, а запуск процесса термоциклирования рабочего тела осуществляют во входной нечетной компрессионной камере с использованием стартового рефрижератора для рабочего тела, а размораживают эту компрессионную камеру за счет утилизированного тепла, забираемого через соответствующий тепловой трансформатор от одноименной входной компрессионной камеры параллельно действующего каскада, в котором за счет отбора тепла одновременно осуществляют очередное замораживание подаваемого туда исходного рабочего тела.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производимое термоциклирование рабочего тела в смежных каскадах компрессионных камер осуществляют в противофазе.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что скрытую теплоту фазовых переходов рабочего тела передают между смежными компрессионными камерами противофазных каскадов при термоциклировании в направлении повышения давления рабочего тела в последующих смежных компрессионных камерах при термоциклировании до заданной регулируемой величины в выходном ресивере.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в качестве исходного рабочего тела используют низкотемпературные газообразные вещества, например, гелий.

РИСУНКИ

Рисунок 1