СИСТЕМА СЖИЖЕНИЯ ГАЗА
GAS LIQUIDATION SYSTEM

Система сжижения газа относится к холодильной и криогенной технике и предназначена для сжижения испарившихся составляющих, например, топлив в энергетических установках наземного базирования и транспортных средств.
Известны абсорбирующие холодильные циклы, заключающиеся в сжатии и охлаждении газа в бесконтактном теплообменнике, с его последующим дросселированием (рис. 1.30, стр. 48, Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. Под общей редакцией И.А. Сакуна. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987).
Недостатками данной системы являются сложность осуществления из-за наличия насосов, компрессоров, имеющих малый ресурс эксплуатации, а также низкая экономичность из-за больших затрат энергии и использовании бесконтактных теплообменников, что ухудшает теплопередачу между теплоносителями:
Известна система охлаждения газа с помощью жидкого теплоносителя в бесконтактном теплообменнике (рис. 4.16, стр. 358, Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. Под общей редакцией И.А. Сакуна. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987).
Недостаток системы в том, что низка его экономичность, т.к. теплопередача идет через стенку теплообменника, что снижает ее эффективность.
Известна система для сжижения газа (патент FR 2107946, F25D 3/00, опубл. 1972), содержащая теплообменник, выполненный в виде криогенного сосуда с коллектором, размещенным в его нижней части жидкостного объема, с коллектором соединен трубопровод подвода сжижаемого газа с отсечным клапаном и регулятором давления, а с нижней частью криогенного сосуда соединены трубопроводы подвода жидкого хладагента и отвода сжиженного газа, паровая полость криогенного сосуда соединена с трубопроводом отвода паров хладагента, в котором установлен регулятор расхода.
Недостаток системы заключаются в том, что большая часть паров сжижаемого газа поступает в газовую полость рабочей емкости, где эффективность процесса сжижения низкая, при этом пары сжижаемого газа вместе с парами жидкого хладагента попадают в систему дренажа.
Задачи изобретения: повышение эффективности процесса сжижения газа и улучшение экономичности.
Поставленные задачи в системе для сжижения газа, содержащей теплообменник, выполненный в виде криогенного сосуда с размещенным в его нижней части жидкостного объема коллектором, с коллектором соединен трубопровод подвода сжижаемого газа с отсечным клапаном и регулятором давления, а с нижней частью криогенного сосуда через клапана соединены трубопроводы подвода жидкого хладагента и отвода сжиженного газа, газовая полость криогенного сосуда соединена с трубопроводом отвода паров хладагента, в котором установлен клапан дренажа, решаются тем, что, коллектор содержит капиллярные каналы для выхода сжижаемого газа в виде пузырьков в жидкий хладагент, при этом капиллярные каналы расположены на коллекторе таким образом, чтобы траектории движения пузырьков, выходящих из разных капиллярных каналов вверх через слои жидкого хладагента, не совпадали, а также тем, что коллектор состоит из отдельных секций, при этом диаметры капиллярных каналов в каждой секции имеют разное проходное сечение, а подвод сжижаемого газа выполнен отдельно в каждую секцию через индивидуальный отсечной клапан и тем, что все отдельные секции коллектора расположены в разных горизонтальных плоскостях, при этом проходные сечения капиллярных каналов каждой секции, расположенной выше, меньше чем секции расположенной ниже и тем, что коллектор или его секции выполнены в виде труба в трубе круглого сечения с отверстиями, соединенными с капиллярными каналами, совпадающими по сечению в стенках внутренней и внешней труб с возможность поворота внутренней трубы относительно внешней для изменения проходных сечений отверстий и тем, что коллектор или его секции выполнены в виде труба в трубе с отверстиями, соединенными с капиллярными каналами, совпадающими по сечению в стенках внутренней и внешней труб с возможность осевого перемещения внутренней трубы относительно внешней для изменения проходных сечений отверстий.
В известных технических решениях признаков сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружено, следовательно, это решение обладает существенными отличиями. Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время, заявляемое техническое решение применимо в холодильной и криогенной технике и предназначено для сжижения испарившихся составляющих, например топлив в энергетических установках наземного базирования и транспортных средств, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».
Изобретение поясняется следующими схемами.
На фиг. 1 схема установки для сжижения газа.
На фиг. 2 схема коллектора с горизонтально расположенными капиллярными каналами для подачи сжижаемого газа в хладагент.
На фиг. 3 схема коллектора с двумя параллельными рядами горизонтально расположенными капиллярными каналами для подачи сжижаемого газа в хладагент.
На фиг. 4 вид сверху схемы коллектора состоящего из двух секций, расположенных горизонтально, с капиллярными каналами различного проходного сечения для подачи сжижаемого газа в хладагент.
На фиг. 5 поперечный вид схемы коллектора состоящего из двух секций, расположенных по вертикали, с горизонтально расположенными капиллярными каналами различного проходного сечения для подачи сжижаемого газа в хладагент.
На фиг. 6 схема поперечного перпендикулярного оси сечения коллектора типа труба в трубе круглого сечения с поворотной внутренней трубой и горизонтально расположенными капиллярными каналами.
На фиг. 7 схема горизонтального параллельного оси продольного сечения коллектора типа труба в трубе произвольного сечения с внутренней трубой, которая перемещается по оси коллектора.
На фиг. 1 система содержит емкость хранилище 1 хладагента, соединенная через заправочный клапан 2 с трубопроводом 3 для ее заправки. Газовая подушка емкости хранилища 1 для ее наддува соединена через клапан 4 с трубопроводом 5. Система также содержит трубопровод 6, соединенный с выходом клапана 2, емкостью хранилищем 1 и последовательно через клапан 7 и дроссель 8 с криогенным сосудом 9, клапаном слива 10 и датчиком давления 11, установленным в нижней части криогенного сосуда 9 и соединенным с блоком управления 12. Система содержит трубопровод 13 подачи сжижаемого газа, соединенный последовательно через регулятор давления 14 и отсечной клапан 15 с коллектором 16, установленным в нижней части внутреннего объема криогенного сосуда 9. Блок управления 12 соединен с регулятором давления 14 и отсечным клапаном 15. Система содержит датчик 17 уровня жидкости в криогенном сосуде 9, соединенный через блок управления 18 с клапаном 7, дросселем 8 и клапаном дренажа 19 из криогенного сосуда 9. Газовая полость криогенного сосуда 9 через клапан дренажа 19 и обратный клапан 20 соединена с системой утилизации паров хладагента через дренажный трубопровод 21, а также с предохранительным клапаном 23 и газоанализатором 22, который соединен с блоком управления 12 и с блоком управления 18. В трубопроводе 13 установлен датчик температуры 24 сжижаемого газа, который соединен с блоком управления 12.
На фиг. 2 схема коллектора 16 с одним рядом горизонтально расположенными капиллярными каналами 25 для подачи сжижаемого газа в хладагент.
На фиг. 3 схема коллектора 16 с двумя рядами горизонтально расположенными капиллярными каналами 25 для подачи сжижаемого газа в хладагент.
На фиг. 4 вид сверху схемы коллектора, состоящего из первой секции 26 и второй секции 27, расположенных горизонтально, соответственно с капиллярными каналами малого проходного сечения 28 и большого проходного сечения 29 для подачи сжижаемого газа в хладагент, при этом сжижаемый газ из трубопровода 13 через регулятор давления 14 подводят к первой секции 26 коллектора через индивидуальный отсечной клапан 30 первой секции 26 коллектора, а ко второй секции 27 коллектора через индивидуальный отсечной клапан 31 второй секции 27 коллектора.
На фиг. 5 схема коллектора состоящего из двух секций верхней 32 и нижней 33, расположенных по вертикали, соответственно с горизонтально расположенными капиллярными каналами 34 и 35 различного проходного сечения для подачи сжижаемого газа в хладагент, при этом капиллярные каналы 34 верхней секции 32 меньшего проходного сечения, чем капиллярные каналы 35 на нижней секции 33 коллектора.
На фиг. 6 схема поперечного перпендикулярного оси сечения коллектора 16 типа труба в трубе круглого сечения с внешней трубой 36 и с поворотной внутренней трубой 37 в направлении 38 и обратном направлении. В положении открыто: отверстия 39 во внутренней трубе 37 совпадают с отверстиями 40 во внешней трубе 36, а при повороте в направлении 38 или в обратном направлении внутренней трубы 37 относительно внешней трубы 36 отверстия 39 и 40 не совпадают по оси, что уменьшает или полностью перекрывает проходное сечение для сжижаемого газа перед его попаданием в горизонтально расположенные капиллярные каналы 25.
На фиг. 7 схема горизонтального параллельного оси продольного сечения коллектора 16 типа труба в трубе произвольного сечения с внешней трубой 41 и с внутренней трубой 42, которая перемещается по оси коллектора в направлении 45 и в обратном направлении. В положении открыто: отверстия 44 во внутренней трубе 42 совпадают с отверстиями 43 во внешней трубе 41, а при осевом перемещении в направлении 45 и обратно внутренней трубы 42 относительно внешней трубы 41 отверстия 44 и 43 не совпадают по оси, что уменьшает или полностью перекрывает проходное сечение для сжижаемого газа перед его попаданием в капиллярный канал 25.
Система сжижения газа по п. 1 формулы (фиг. 1) работает следующим образом. Открывают заправочный клапан 2 и через трубопровод 3 выполняют заправку емкости хранилища 1 хладагентом, например жидким азотом, после этого закрывают заправочный клапан 2. Из емкости хранилища 1 хладагент, например жидкий азот, путем передавливания с помощью наддува емкости хранилища 1 через клапан 4 и трубопровод 5 от внешнего источника газа высокого давления заливают через клапан 7 и дроссель 8 в криогенный сосуд 9 до контрольного уровня измеряемого датчиком 17, при этом пары хладагента из криогенного сосуда 9 выходят в утилизатор через клапан 19, обратный клапан 20 и дренажный трубопровод 21. После этого открывают отсечной клапан 15 подачи сжижаемого газа, например метана, из трубопровода 13 через регулятор давления 14. С выхода отсечного клапана 15 сжижаемый газ поступает в коллектор 16, откуда через отверстия в нем попадает через капиллярные каналы 25 (фиг. 2) в нижние слои хладагента, например жидкого азота. Пузырьки сжижаемого газа, например метана, под действием сил Архимеда поднимаются вверх через слои хладагента, например жидкого азота, они охлаждаются и конденсируются, образуя жидкую фазу сжижаемого газа, например метана. При этом пузырьки сжижаемого газа не смешиваются с пузырьками паров хладагента, которые образуются на внешней поверхности коллектора 16, за счет теплопередачи через его стенки от теплого сжижаемого газа к хладагенту. На внешней поверхности капиллярных каналов 25 практически не образуются пузырьки пара хладагента. Из-за малой толщины стенок капиллярных каналов 25 теплопередача через них осуществляется более интенсивно. Образовавшиеся пары хладагента, например азота, заполняет газовую полость криогенного сосуда 9 над зеркалом холодной жидкости, а излишки паров хладагента, например азота, через клапан 19, обратный клапан 20 и дренажный трубопровод 21 поступают в утилизатор паров хладагента, например азота. При однорядном расположении капиллярных каналов 25 на коллекторе 16 (фиг. 2) траектории движения вверх пузырьков сжижаемого газа, выходящих из них, не совпадают. При многорядном расположении капиллярных каналов 25 на коллекторе 16 (фиг. 3) траектории движения вверх пузырьков сжижаемого газа, выходящих из них, также не совпадают, например, из-за разной длины капиллярных каналов. Полученная жидкая фаза сжижаемого газа, например метана, переохлаждена, т.к. его температура испарения значительно выше температуры испарения хладагента, например жидкого азота. Поэтому в газовой полости над зеркалом хладагента или его смеси с жидкой фазой сжижаемого газа в криогенном сосуде 9 находятся только пары хладагента, например азота. При использовании в качестве хладагента жидкого азота, а в качестве сжижаемого газа метана получают полное сжижение газообразного метана и постепенное замещение жидким метаном жидкого азота в криогенном сосуде 9. Процесс сжижения завершают по падению давления газа над зеркалом жидкости, т.к. давление насыщенных паров переохлажденного метана значительно ниже давления насыщенных паров азота. Это падение давления говорит о том, что в криогенном сосуде 9 находиться в жидкой фазе метан, а в газовой полости криогенного сосуда 9 началось замещение паров азота на пары метана. Завершение процесса сжижения газа, например метана, контролируют газоанализатором 22, при этом его измерения содержания паров сжижаемого газа в газовой полости криогенного сосуда 9 поступают в блок управления 12 и блок управления 18. При повышении процентного содержания метана в газовой полости криогенного сосуда 9, например выше 50%, блок управления 18 выдает команду на закрытие клапана 7 и дренажного клапана 19, а блок управления 12 на закрытие отсечного клапана 15. Жидкую фазу сжижаемого газа, например жидкий метан, направляют к потребителю через клапан слива 10, и далее процесс сжижения повторяют. При возрастании давления в газовой полости в криогенном сосуде 9 выше рабочего значения открывают предохранительный клапан 23. В связи с тем, что плотность смеси хладагента и жидкой фазы сжижаемого газа в криогенном сосуде 9 будет изменяться, то для поддержания необходимого расхода сжижаемого газа измеряют давление смеси хладагента и жидкой фазы сжижаемого газа в нижней части криогенного сосуда 9 датчиком 11, полученное значение сравнивают с контрольным значением в блоке управления 12 и управляют регулятором давления 14 подачи сжижаемого газа. Для хладагента, например жидкого азота и для сжижаемого газа, например метана, при увеличении доли его жидкой фазы в смеси хладагента и жидкой фазы сжижаемого газа давление в нижней части криогенного сосуда 9 уменьшается за счет меньшей плотности жидкой фазы метана. Это уменьшает сопротивление на выходе пузырьков сжижаемого газа из коллектора 16, что может привести к увеличению расхода сжижаемого газа через него. Поэтому блок управления 12 выдает команду на регулятор давления 14 для поддержания необходимого расхода сжижаемого газа через коллектор 16. Поддержание необходимого расхода сжижаемого газа позволяет полностью сжижать сжижаемый газ в процессе движения пузырьков сжижаемого газа вверх через слои хладагента в криогенном сосуде 9. Для поддержания постоянного уровня хладагента и в процессе работы смеси хладагента и жидкой фазы сжижаемого газа в криогенном сосуде 9, в нем измеряют уровень датчиком 17 и, если уровень снизился, что происходит из-за быстрого испарения хладагента, например жидкого азота, и высокой температуры сжижаемого газа на входе в коллектор 16, то блок управления 18 подает команду на открытие клапана 7 и дросселя 8. При достижении требуемого уровня клапан 7 и дроссель 8 закрывают. Поддержание постоянного уровня жидкой фазы смеси хладагента и жидкой фазы сжижаемого газа в криогенном сосуде 9 позволяет повысить безопасность сжижения газа, т.к. газовая полость криогенного сосуда 9 остается постоянного объема, при этом жидкая фаза смеси хладагента и жидкой фазы сжижаемого газа не попадут в дренажный клапан 19 и в дренажный трубопровод 21 утилизации паров жидкой фазы, а также обеспечит полное сжижение сжижаемого газа за счет постоянной высоты столба смеси жидкой фазы хладагента и жидкой фазы сжижаемого газа. Использование контактного охлаждения путем пропускания пузырьком сжижаемого газа через хладагент снижает потери теплоты по сравнению с бесконтактным способом охлаждения, а значит, снижает расход хладагента на сжижение сжижаемого газа. Использование капиллярных каналов 25 для подачи сжижаемого газа в нижние слои хладагента в криогенном сосуде 9 позволяет повысить эффективность сжижения газа, т.к. его пары не смешиваются с пузырьками хладагента образовавшимися на внешней поверхности коллектора 16, и соответственно уменьшается доля паров сжижаемого газа, которая достигает газовой полости криогенного сосуда 9. Из-за не совпадения траекторий движения пузырьков, выходящих из разных капиллярных каналов 25 не образуются крупные пузыри сжижаемого газа, что снижает вероятность их достижения газовой полости криогенного сосуда 9.
Система по п. 2 формулы (фиг. 4) работает следующим образом. Коллектор 16 (фиг. 1) состоит из первой секции 26 коллектора (фиг. 4) с капиллярными каналами меньшего сечения 28 и второй секции 27 коллектора с капиллярными каналами 29 большего проходного сечения. Измеряют температуру сжижаемого газа датчиком температуры 24 в трубопроводе 13 и сравнивают ее с контрольным значением в блоке управления 12. Если температура сжижаемого газа в трубопроводе 13 высокая, то сжижаемый газ подают через регулятор давления 14 и индивидуальный отсечной клапан 30, который открывают по команде блока управления 12 в первую секцию 26 коллектора с малыми проходными сечениями капиллярных каналов 28, при этом индивидуальный отсечной клапан 31 второй секции 27 коллектора закрыт. Пузырьки сжижаемого газа с высокой температурой имеют меньший диаметр, и поэтому за счет теплообмена с хладагентом они конденсируются и не достигают газовой полости криогенного сосуда 9. Если температура сжижаемого газа в трубопроводе 13 низкая, то сжижаемый газ дополнительно подают через регулятор давления 14 и индивидуальный отсечной клапан 31, который открывают по команде от блока управления 12 во вторую секцию 27 коллектора с большими проходными сечениями капиллярных каналов 29, при этом индивидуальный отсечной клапан 30 первой секции 26 коллектора также открыт. Пузырьки сжижаемого газа с низкой температурой имеют больший диаметр, но за счет низкой температуры сжижаемого газа и за счет теплообмена с хладагентом они конденсируются и не достигают газовой полости криогенного сосуда 9.
Система по п. 3 формулы (фиг. 1, фиг. 5) работает следующим образом. Сжижаемый газ из трубопровода 13 (фиг. 1) через регулятор давления 14 и отсечной клапан 15. подают в верхнюю секцию 32 и нижнюю секцию 33 коллектора 16, при этом верхняя секция 32 имеет капиллярные каналы 34 с меньшим проходным сечением, а нижняя секция 33 капиллярные каналы 35 с большим проходным сечением. За счет большего расстояния от капиллярных каналов 35 с большим проходным сечением до поверхности смеси жидкой фазы хладагента и жидкой фазы сжижаемого газа, большие пузырьки сжижаемого газа конденсируются и не достигают газовой полости криогенного сосуда 9.
Система по п. 4 формулы (фиг. 1 и фиг. 6) работает следующим образом. Датчиком температуры 24 (фиг. 1) измеряют температуру сжижаемого газа в трубопроводе 13 (фиг. 1) и сравнивают ее с контрольным значением в блоке управления 12. При ее увеличении уменьшают размер пузырьков сжижаемого газа, а при ее снижении увеличивают размер пузырьков сжижаемого газа. Размер пузырьков сжижаемого газа, выходящего из капиллярных каналов 25 (фиг. 6) коллектора 16 в нижние слои хладагента в криогенном сосуде 9 изменяют уменьшением или увеличением площади проходных сечений отверстий 39 и 40 (фиг. 6) соответственно во внутренней 37 и внешней 36 трубах коллектора 16, путем поворота, в направлении 38 или в обратном направлении, внутренней трубы 37 относительно внешней трубы 36 вплоть до полного относительного перекрытия отверстий 39 и 40 по команде от блока управления 12 (фиг. 1). Отверстия 40 во внешней трубе 36 соединены с капиллярными каналами 25 в коллекторе 16 для выхода пузырьков сжижаемого газа в нижние слои хладагента. Изменение размеров пузырьков сжижаемого газа выходящего в нижние слои хладагента из капиллярных каналов 25 позволяет устранить возможность попадания паров сжижаемого газа в газовую полость криогенного сосуда 9, т.к. все пузырьки конденсируются в процессе их движения от коллектора 16 до зеркала жидкой фазы смеси хладагента и жидкой фазы сжижаемого газа.
Система по п. 5 формулы (фиг. 1 и фиг. 7) работает следующим образом. Датчиком температуры 24 (фиг. 1) измеряют температуру сжижаемого газа в трубопроводе 13 (фиг. 1) и сравнивают ее с контрольным значением в блоке управления 12. При ее увеличении уменьшают размер пузырьков сжижаемого газа, а при ее снижении увеличивают размер пузырьков сжижаемого газа. Размер пузырьков сжижаемого газа, выходящего из капиллярных каналов 25 (фиг. 2) коллектора 16 в нижние слои хладагента в криогенном сосуде 9 изменяют уменьшением или увеличением площади проходных сечений отверстий 44 и 43 (фиг. 7) соответственно во внутренней 42 и внешней 41 трубах коллектора 16, путем осевого перемещения, в направлении 45 или обратном направлении, внутренней трубы 42 относительно внешней трубы 41 вплоть до полного относительного перекрытия отверстий 44 и 43 по команде от блока управления 12 (фиг. 1). Отверстия 43 (фиг. 7) во внешней трубе 41 соединены с капиллярными каналами 25 в коллекторе 16 для выхода пузырьков сжижаемого газа в нижние слои хладагента. Изменение размеров пузырьков сжижаемого газа выходящего в нижние слои хладагента из капиллярных каналов 25 позволяет устранить возможность попадания паров сжижаемого газа в газовую полость криогенного сосуда 9, т.к. все пузырьки конденсируются в процессе их движения от коллектора 16 до зеркала жидкой фазы смеси хладагента и жидкой фазы сжижаемого газа.
Из-за того, что пузырьки сжижаемого газа непосредственно контактируют с холодной жидкой фазой хладагента, повышена эффективность теплопередачи, а также экономичность процесса сжижения газа, т.к. нет потерь при теплопередаче через стенку теплообменника.
Из-за того, что пузырьки, выходящие из разных капиллярных каналов, не смешиваются, они полностью конденсируются и не достигают газовой полости криогенного сосуда 9.
Из-за изменения размеров пузырьков сжижаемого газа повышена эффективность экономичность и безопасность процесса сжижения, т.к. все пузырьки конденсируются при их вертикальном движении через хладагент или его смесь с жидкой фазой сжижаемого газа, при этом снижается количество паров сжижаемого газа, которые попадают в газовую полость криогенного сосуда 9, например, метана через клапан 19 в систему утилизации, например, азота.
Таким образом, изобретением усовершенствована система сжижения газа контактным методом путем его подачи через капиллярные каналы в виде отдельных пузырьков через хладагент.