СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА
METHOD OF GAS COOLING

Изобретение относится к холодильной технике.
Из достигнутого уровня техники известен способ охлаждения газа, включающий периодическое возбуждение волны сжатия в заполненной остаточным газом камере трубчатой формы и постоянного объема путем ввода в камеру со стороны первого ее торца порции газа под высоким давлением. По окончании фазы сжатия, находившегося в камере под исходным давлением остаточного газа, подачу газа под высоким давлением прекращают и осуществляют со стороны второго торца камеры выпуск из нее в ресивер нагретого в результате сжатия остаточного газа с одновременным отводом от него тепла. По завершении выпуска из камеры всего нагретого газа камеру изолируют от ресивера и осуществляют адиабатическое расширение оставшегося в камере газа путем соединения камеры со стороны ее первого торца с линией отвода низкого давления с последующим выталкиванием охлажденной (в результате адиабатического расширения) порции газа из камеры в линию отвода низкого давления путем соединения камеры со стороны ее второго торца с ресивером (см. авторское свидетельство SU-№553414, 1977).
Недостаток описанного выше способа охлаждения газа заключается в том, что его использование сопряжено с большими энергозатратами, обусловленными необходимостью обеспечения интенсивного отвода тепла от проталкиваемого в ресивер сжатого и нагретого остаточного газа. Кроме того, этот способ имеет ограниченную область использования, поскольку охлаждение устройств пульсирующим потоком охлажденного газа приводит, в частности, к возникновению виброшумов в радиоэлектронных компонентах этих устройств.
Известен также способ охлаждения газа, взятый в качестве прототипа и включающий периодическое возбуждение волны сжатия в заполненной остаточным газом трубчатой камере постоянного объема путем ввода в камеру со стороны ее первого торца порции газа под высоким давлением. По окончании фазы сжатия находившегося в камере газа под начальным давлением подачу газа под высоким давлением прекращают и осуществляют со стороны второго торца камеры выпуск из камеры в окружающую среду (атмосферу) нагретого в результате сжатия газа. По завершении выпуска из камеры всего нагретого газа камеру изолируют от окружающей среды со стороны ее второго торца, осуществляют адиабатическое расширение оставшегося в камере газа путем соединения камеры со стороны ее первого торца с линией отвода низкого давления, а по окончании фазы адиабатического расширения оставшегося в камере газа осуществляют выталкивание охлажденной в результате адиабатического расширения порции газа в линию отвода низкого давления путем соединения камеры со стороны ее второго торца с ресивером, который с той же периодичностью заполняют газом до давления, которое в 1,5-2,0 раза превышает упомянутое выше начальное давление. Что касается объема камеры, то он составляет от 0,5 до 1,0 объема ресивера (см. патент RU-C1-№2263854, 2004).
В способе охлаждения газа, взятом в качестве прототипа, обеспечивается существенное снижение энергозатрат за счет выпуска нагретого в результате сжатия остаточного газа в окружающую среду. Однако в прототипе не устранен другой отмеченный выше недостаток, обусловленный значительными пульсациями давления охлажденного газа, направляемого по линии отвода низкого давления потребителю с помощью клапана релейного действия.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению уменьшения, по крайней мере, в три раза амплитуды пульсаций потока газа в линии отвода низкого давления путем выполнения ее постоянно сообщающейся с полостью камеры во время осуществления способа охлаждения газа.
Поставленная задача решена тем, что в способе охлаждения газа, включающем периодическое возбуждение волны сжатия в имеющей постоянный объем и заполненной газом под начальным давлением трубчатой камере с диаметром D и длиной L путем ввода в камеру со стороны ее первого торца порции газа под высоким давлением, по окончании фазы сжатия находившегося в камере газа под начальным давлением подачу газа под высоким давлением прекращают и осуществляют со стороны второго торца камеры выпуск из камеры нагретого в результате сжатия газа, при этом по завершении выпуска из камеры всего нагретого газа объем камеры со стороны ее второго торца изолируют, а по окончании начавшейся после изоляции камеры фазы адиабатического расширения оставшегося в камере газа находящуюся в камере охлажденную в результате адиабатического расширения порцию газа направляют в линию отвода низкого давления, согласно изобретению порцию газа, охлажденную в результате адиабатического расширения, направляют путем вытеснения ее из камеры в постоянно сообщающуюся с ней линию отвода низкого давления, которая соединена с боковой стенкой камеры на расстоянии В=(0,35-0,6)L от ее первого торца и расположена относительно продольной оси камеры под углом α с вершиной, обращенной к ее второму торцу, при этом для вытеснения упомянутой выше порции газа в имеющую диаметр d=(0,6-0,95)D·sinα, где 23°≤α≤38°, линию отвода низкого давления после окончания фазы адиабатического расширения оставшегося в камере газа осуществляют путем дросселирования ввод охлажденного газа в камеру до достижения в ней начального давления.
Кроме того, поставленная задача решена тем, что ввод в камеру путем дросселирования охлажденного газа осуществляют с помощью, по крайней мере, двух сопел, которые размещают на торцах камеры или на участках ее боковой стенки, прилегающих к ее торцам.
Преимущество патентуемого способа охлаждения газа, по сравнению с прототипом, заключается в существенном уменьшении амплитуды пульсаций в потоке газа, направляемого потребителю по линии отвода низкого давления. Действительно за счет постоянного сообщения камеры с линией отвода низкого давления обеспечивается, с одной стороны, непрерывность потока по линии отвода низкого давления в течение каждого цикла, а с другой стороны - плавное увеличение потока, связанное как с протеканием фазы адиабатического расширения оставшегося в камере газа, так и с вытеснением охлажденной (в результате адиабатического расширения) порции газа из камеры. Проведенные эксперименты показали, что при осуществлении патентуемого способа амплитуда пульсаций составляет от 0,2 до 0,26 от амплитуды пульсаций, имеющих место при осуществлении известного из прототипа способа с помощью камеры тех же размеров и того же источника газа под высоким давлением.
Остальные технические результаты, достигаемые при осуществлении патентуемого способа, станут ясными из дальнейшего изложения.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют достижение не только ожидаемого технического результата патентуемой совокупностью существенных признаков.
На фиг.1 схематично изображено устройство для осуществления патентуемого способа; на фиг.2 - то же, но с использованием сопловых линеек.
Устройство для осуществления патентуемого способа содержит камеру 1 постоянного объема, имеющую трубчатую форму, а также внутренний диаметр D и длину L; линию 2 подвода газа под высоким давлением; линию 3 отвода низкого давления; выпускной управляемый клапан 4, а также средства для ввода в камеру 1 путем дросселирования охлажденного газа (фиг.1 и 2). Камера 1 со стороны своего первого («холодного») торца соединена с линией 2 подвода газа под высоким давлением через первый впускной управляемый клапан 5, при этом выпускной управляемый клапан 4 установлен со стороны второго («горячего») торца камеры 1. Линия 3 отвода низкого давления соединена с камерой 1 со стороны ее боковой стенки через выходной управляемый клапан 6, при этом линия 3 соединена с боковой стенкой камеры 1 на расстоянии В=(0,35-0,6)L от ее первого торца, расположена относительно ее продольной оси 1' под углом α, лежащим в диапазоне от 23° до 38°, и имеет внутренний диаметр d=(0,6-0,95)D·sinα. Что касается угла α, то его вершина обращена ко второму торцу камеры 1. Устройство содержит также средства для ввода в камеру 1 путем дросселирования охлажденного газа, выполненные, предпочтительно, в виде сопел 7. На фиг.1 изображены два сопла 7, расположенных соответственно со стороны первого и второго торцов камеры 1. Сопла 7 через второй впускной управляемый клапан 8, установленный на линии 9, соединены с линией 2 подвода газа под высоким давлением. На фиг.2 изображены две сопловые линейки 10, установленные на участках боковой стенки камер 1, прилегающих к ее торцам. Сопловые линейки 10 через второй впускной управляемый клапан 8, установленный на линии 9, соединены с линией 2. Все используемые в описанном выше устройстве клапаны - релейного действия, а по крайней мере, у выходного управляемого клапана 6 геометрические размеры рабочего окна соответствуют внутреннему диаметру d линии 3 отвода низкого давления.
о
Способ охлаждения газа (например, воздуха, азота, углекислого газа) осуществляется следующим образом. Перед осуществлением способа (иными словами, перед возбуждением в камере 1 первой волны сжатия, распространяющейся в ее продольном направлении) устройство, представленное на фиг.1, находится в исходном состоянии, а именно первый 5 и второй 8 впускные управляемые клапаны, выпускной управляемый клапан 4 и выходной управляемый клапан 6 находятся в закрытом положении, а камера 1 заполнена остаточным газом под начальным давлением Р.
о
о
о
о
Первую волну сжатия в камере 1, заполненной остаточным газом под давлением - Р, возбуждают путем ввода в камеру 1 со стороны ее первого («холодного») торца порции газа под высоким давлением. Для этого установленный на линии 2 подачи газа под высоким давлением первый впускной управляемый клапан 5 переводят в открытое положение и газ под высоким давлением (не менее чем в четыре раза превышающим давление Р) начинает поступать в камеру 1 со стороны ее первого торца. Процесс поступления газа под высоким давлением в камеру 1 сопровождается одновременным сжатием и нагревом находившегося в ее полости газа под давлением - Р, при этом во время поступления газа под высоким давлением в камеру 1 осуществляют соединение камеры 1 со стороны ее боковой стенки с линией 3 отвода низкого давления путем перевода выходного управляемого клапана 6 из закрытого в открытое положение, которое остается неизменным до момента окончания осуществления патентуемого способа. По окончании фазы сжатия с одновременным нагревом находившегося под начальным давлением Р в камере 1 остаточного газа первый впускной управляемый клапан 5 переводят в закрытое положение (в результате прекращается подача газа под высоким давлением в камеру 1), а выпускной управляемый клапан 4 переводят в открытое положение. В результате происходит выпуск из камеры 1 (со стороны ее второго - «горячего» - торца), например, в окружающую среду нагретого в результате сжатия остаточного газа. По завершении выпуска из камеры 1 всего нагретого в результате сжатия газа камеру 1 изолируют от окружающей среды со стороны ее второго торца. Для этого выпускной управляемый клапан 4 переводят в закрытое положение. После чего (поскольку камера 1 соединена с линией 3 отвода низкого давления) наступает фаза адиабатического расширения оставшегося в камере 1 газа, а следовательно, его охлаждение. В конце фазы адиабатического расширения температура газа, находящегося в камере 1, достигает минимального значения за цикл.
о
о
По окончании фазы адиабатического расширения оставшегося в камере 1 газа осуществляют вытеснение находящейся в камере 1 охлажденной порции газа из камеры 1 в линию 3 отвода низкого давления. Для этого установленный на линии 9 второй впускной управляемый клапан 8 переводят в открытое положение и газ под высоким давлением через средства, образующие местные гидродинамические сопротивления, предпочтительно сопла 7, поступает в полость камеры 1, где при расширении охлаждается (эффект Джоуля-Томсона). По достижении давлением в камере 1 значения Р второй впускной управляемый клапан 8 переводят в закрытое положение. В результате подача охлажденного газа в полость камеры 1 прекращается. Иными словами, по окончании адиабатического расширения оставшегося в камере 1 газа осуществляют путем дросселирования ввод охлажденного газа в камеру 1 до момента достижения в ней давления Р, что соответствует окончанию первого цикла.
Таким образом, в отличие от прототипа, в патентуемом способе охлаждения газа осуществляется не быстрое выталкивание охлажденной порции газа, а более плавное ее вытеснение из камеры 1 в линию 3 отвода низкого давления газом, имеющим (в отличие от прототипа) более низкую температуру. В результате в начале второго цикла температура газа в камере 1 будет иметь более низкую температуру по сравнению с температурой остаточного газа в камере 1 на момент начала первого цикла.
Аналогично тому, как описано выше, второй цикл начинается с возбуждения в камере 1 второй (иными словами, соответствующей порядковому номеру осуществляемого цикла) волны сжатия путем перевода первого впускного управляемого клапана 5 в открытое положение. Патентуемые признаки, касающиеся диаметра линии 3 отвода низкого давления, а также расположения ее относительно камеры 1, обеспечивают минимальное влияние постоянно сообщающейся (во время осуществления патентуемого способа) с камерой 1 линии 3 отвода низкого давления на параметры волн сжатия, распространяющихся периодически в продольном направлении камеры 1, а также оптимальную пропускную способность линии 3 отвода низкого давления.
Так, при d=K·D sin (38°) и K=0,95, В=0,45L снижение давления со стороны второго торца камеры 1 в момент времени, соответствующий окончанию фазы сжатия, составляет не более 4%, а при K=0,95, α=23° составляет всего 2,6%. Однако при K>1.0 и α>40° зависимость снижения величины упомянутого выше давления от величины угла α становится существенно большей. Что касается нижних границ диапазонов угла α и коэффициента K, а именно α=23°, K=0,6, то они выбраны исходя из обеспечения оптимальной пропускной способности линии 3 отвода низкого давления. Что касается расстояния В между первым торцом камеры 1 и герметично соединенной с ее боковой стенкой линией 3 отвода низкого давления, то, как было установлено, при В<0,35L и В>0,6L постоянное сообщение камеры 1 с линией 3 отвода низкого давления приводит к снижению величины давления со стороны второго торца камеры 1 в момент времени, соответствующий окончанию фазы сжатия, более чем на 5% во всем указанном выше диапазоне углов α (от 23° до 38°).
По окончании фазы сжатия (аналогично тому, как при осуществлении первого цикла) прекращают подачу газа под высоким давлением в камеру 1 (переводят первый впускной управляемый клапан 5 в закрытое положение) и осуществляют выпуск из камеры 1 в окружающую среду (атмосферу) нагретого в результате сжатия газа, находившегося в начале второго цикла в камере 1 (переводят выпускной управляемый клапан 4 в открытое положение). По завершении выпуска из камеры 1 всего нагретого в результате сжатия газа камеру 1 изолируют от окружающей среды (переводят выпускной управляемый клапан 4 в закрытое положение), причем начавшаяся затем фаза адиабатического расширения оставшегося в камере 1 газа не сопровождается (в отличие от прототипа) скачкообразным изменением потока газа в постоянно соединенной с камерой 1 линии 3 отвода низкого давления.
о
По окончании фазы адиабатического расширения оставшегося в камере 1 газа осуществляют путем дросселирования ввод (с помощью сопел 7) охлажденного газа в камеру 1 до момента достижения в ней начального давления Р, что соответствует окончанию второго цикла патентуемого способа. Далее описанный выше цикл повторяется периодически до момента, соответствующего окончанию использования патентуемого способа в каждом конкретном случае.
Благодаря вводу путем дросселирования в камеру 1 охлажденного газа обеспечивается плавное вытеснение находящейся в камере 1 охлажденной в результате адиабатического расширения порции газа в линию 3 отвода низкого давления. В результате уменьшается амплитуда пульсаций потока газа в ней. В отличие от вышесказанного в прототипе осуществляется сопровождающееся скачкообразным изменением потока газа в линии 3 отвода низкого давления выталкивание упомянутой выше порции газа.
Таким образом, уменьшение пульсаций потока газа в линии отвода низкого давления обеспечивается за счет следующих факторов:
- благодаря постоянному соединению линии 3 отвода низкого давления с камерой 1 обеспечивается, с одной стороны, непрерывный поток газа по этой линии, а с другой стороны, безвыхлопное начало фазы адиабатического расширения оставшегося в камере 1 газа;
- благодаря вводу путем дросселирования в камеру 1 охлажденного газа обеспечивается плавное вытеснение находящейся в камере 1 охлажденной (в результате адиабатического расширения) порции газа.
Кроме того, поскольку вытеснение из камеры 1 охлажденной в результате адиабатического расширения порции газа осуществляется также охлажденным газом, то температура газа в камере 1 в конце второго цикла будет ниже по сравнению с температурой газа в камере 1 в начале второго цикла. Однако, как было установлено, величина этого снижения температуры от цикла к циклу уменьшается и после 25-40 циклов не наблюдается вовсе. Это свидетельствует о выходе устройства, осуществляющего патентуемый способ, на рабочий режим. Следствием вышесказанного является достижение неожиданного технического результата, заключающегося не только в компенсации снижения эффективности охлаждения направляемого потребителю газа (за счет прогнозируемого снижения эффективности фазы адиабатического расширения газа), но и в снижении на 6-8% температуры газа, направляемого по линии 3 отвода низкого давления, по сравнению с прототипом.
Здесь необходимо отметить также, что выходной клапан 6 переводят в закрытое положение только по окончании работы устройства, реализующего патентуемый способ.
о
Относительно числа и предположительного расположения сопел 7 необходимо отметить следующее. Очевидно, что чем больше используется сопел 7, тем меньше времени нужно для вытеснения газом (охлажденным до требуемой температуры) из камеры 1 находящейся в ней охлажденной порции газа, а также для заполнения камеры 1 газом до давления Р. Для исключения застойных зон следует располагать сопла 7 на торцах камеры 1 (фиг.1) и/или на боковой стенке камеры 1 на расстоянии от ее торцов, предпочтительно, не превышающем 0,25L. На фиг.2 представлен пример выполнения устройства для осуществления патентуемого способа, в котором используются две сопловые линейки 10, установленные вдоль образующей боковой стенки камеры 1. В принципе подача газа под высоким давлением через второй впускной управляемый клапан 8 может осуществляться от автономного источника газа под высоким давлением (на чертежах не показан).
о
В целом ряде случаев выпуск в окружающую среду нагретого в результате сжатия остаточного газа является нежелательным. В этом случае для сбора (с целью дальнейшего использования) выпускаемого из камеры 1 нагретого газа можно использовать средства, описанные в патенте RU-C1-№2278334, 2006, а именно: дополнительную камеру, управляемый клапан, откачное устройство и буферную емкость. В этом случае камера 1 связана с дополнительной камерой через выпускной управляемый клапан 4, а дополнительная камера связана с буферной емкостью через последовательно соединенные управляемый клапан и откачное устройство, обеспечивающее периодическое создание в дополнительной камере давления, не менее чем в два раза меньшее давления Р.
Промышленная применимость описанного выше способа подтверждается возможностью его осуществления с использованием известных из уровня техники средств.