Цилиндрический вихревой охладитель
CYLINDRICAL VORTEX COOLER

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано для охлаждения и переохлаждения криогенных жидкостей, например для охлаждения водорода при заправке баков ракет.
В криогенных системах применяют теплообменные аппараты самых разнообразных типов. В технике глубокого холода наиболее часто применяют теплообменники из соединенных по всей длине гладких трубок типа «труба в трубе», кожухотрубные, змеевиковые, витые или пластинчатые с применением эжекторов для создания вакуума. Среди недостатков данных теплообменных аппаратов можно отметить сложность технологического выполнения конструкции, большую металлоемкость, наличие системы откачки для переохлаждения, сложность очистки межтрубного пространства от загрязнений и др. (Справочник под редакцией М.П. Малкова, Госэнергоиздат, Москва, 1963 г., стр. 245-247; патент РФ №2177593 от 01.11.1999 г.).
Технические трудности глубокого охлаждения жидких криогенных продуктов связаны с чрезвычайно низким давлением его насыщенных паров при глубоком холоде. Специалистами предложено эффективное, но одновременно и сложное решение по использованию в специальном теплообменнике холода отходящих из системы вакуумирования паров водорода. Технико-экономический анализ показывает, что единственным способом, пригодным для решения задачи охлаждения криогенных жидкостей (например, водорода), является охлаждение его непосредственно в процессе заправки.
Наиболее близкой по техническому решению является конструкция теплообменника с использованием эжектора для создания разрежения в межтрубном пространстве.
При всей ее простоте она имеет серьезный недостаток, связанный с возможностью натекания атмосферного воздуха в паровую область. Это ухудшает качество криогенной жидкости как компонента топлива и вызывает необходимость использования стороннего газа для подачи его в эжектор (Научно-технический и производственный журнал «Технические газы», №4, 2014, стр. 44)
Предлагаемые варианты технических решений позволяют решить указанные недостатки.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является создание конструкции охладителя, возможности которого позволяют достичь наибольшей глубины охлаждения криогенной жидкости и достичь наименьшей металлоемкости.
Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в достижении наибольшей глубины охлаждения, малых габаритах, в отсутствии системы откачки паров охлаждающей жидкости, дополнительного газа для откачки.
Сущность заявляемой группы изобретений заключается в том, что:
по первому варианту в цилиндрическом вихревом охладителе, представляющем собой криогенный сосуд с расположенной поверх оболочкой с патрубками входа и выхода охлаждаемой жидкости, патрубком дренажа паров, на наружной поверхности сосуда смонтирован теплообменник, внутри сосуда размещена трубка подачи охлаждающей жидкости, на которой размещен конфузор, обеспечивающий центробежную циркуляцию охлаждаемой жидкости, на стыке с возвращаемой охлажденной жидкостью размещен инжектор;
по второму варианту указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в цилиндрическом вихревом охладителе, представляющем собой криогенный сосуд с расположенной поверх оболочкой с патрубками входа и выхода охлаждаемой жидкости, патрубком дренажа паров, внутри сосуда размещена трубка подачи охлаждаемой жидкости, на которой размещен конфузор, обеспечивающий центробежную циркуляцию охлаждаемой жидкости, на выходе неиспарившейся жидкости установлен диффузор, обеспечивающий давление на заправку.
Совокупность существенных признаков в предлагаемых вариантах конструкции охладителя позволяет отказаться от системы откачки паров газа и привлечения стороннего газа, при этом достичь наибольшей глубины охлаждения криогенной жидкости.
Благодаря этому достигается заявленный выше технический результат: достижение наибольшей глубины охлаждения криогенной жидкости, малых габаритов, отсутствие системы откачки паров охлаждаемой жидкости, дополнительного газа для откачки.
При исследовании отличительных признаков описываемых вариантов заявленного охладителя не выявлено каких-либо аналогичных известных решений.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной группы изобретений.
Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует условию «новизна».
При изучении других известных решений в этой области признаки, отличающие заявленные решения, не были выявлены, что обеспечивает изобретению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, на которых:
фиг. 1 - цилиндрический вихревой охладитель по первому варианту;
фиг. 2 - цилиндрический вихревой охладитель по второму варианту;
фиг. 3 - схема работы вихревого охладителя (вид сверху);
фиг. 4 - схема работы вихревого охладителя (вид сбоку).
Цилиндрический вихревой охладитель по первому варианту состоит из криогенного сосуда 1 с расположенной поверх оболочкой 2 с патрубками входа 3 и выхода 4 охлаждаемой жидкости, патрубком дренажа паров 5. На наружной поверхности сосуда смонтирован теплообменник 6, который снабжен патрубком входа 7 и патрубком выхода 8 охлаждаемой жидкости, а внутри сосуда размещена трубка 9, на которой размещен конфузор 10, обеспечивающий центробежную циркуляцию охлаждаемой жидкости, а на стыке с возвращаемой жидкостью размещен инжектор 11.
Цилиндрический вихревой охладитель работает следующим образом.
Сжатая до некоторого давления охлаждающая криогенная жидкость при температуре, близкой к точке кипения, подается в трубу 9, на которой установлен конфузор 10. Выходя из конфузора 10, жидкость разгоняется по стенке оболочки, образуя вихрь, состоящий из кольца жидкости вокруг парового ядра. При этом давление качественно переходит в скорость и соответственно падает. Падение давления приводит к испарению некоторой части жидкости с одновременным охлаждением оставшейся части. Испарившаяся часть жидкости поднимается в выходной патрубок 5 и сбрасывается в атмосферу, а неиспарившаяся поступает вниз в патрубок 4, затем возвращается на инжектор 11. Инжектор захватывает неиспарившуюся жидкость и снова направляет на повторное раскручивание.
Охлаждаемая жидкость, проходя через теплообменник 6, охлаждается от охлажденной жидкости в вихре.
Цилиндрический вихревой охладитель по второму варианту состоит из криогенного сосуда 1 с расположенной поверх оболочкой 2 с патрубками входа 3 и выхода 4 охлаждаемой жидкости, патрубком дренажа паров 5. Внутри сосуда размещена трубка 9, на которой размещен конфузор 10, обеспечивающий центробежную циркуляцию охлаждаемой жидкости. На патрубке 4 выхода охлаждаемой жидкости установлен диффузор 12, обеспечивающий увеличение давления подаваемой жидкости.
Цилиндрический вихревой охладитель по второму варианту работает, повторяя цикл, как по первому варианту, до момента выхода охлажденной жидкости с конфузора. Затем не испарившаяся жидкость поступает, в отличие от первого варианта, в диффузор, обеспечивающий давление. Далее охлажденная жидкость направляется по назначению.
Таким образом, по предлагаемым вариантам нет необходимости в подводе дополнительного «стороннего» газа на создание разрежения в резервуаре.
С помощью предлагаемой конструкции вихревого охладителя удается достичь переохлаждения жидкого водорода до 10 К (относительно точки кипения при атмосфере 20 К).
В настоящее время по заявленному техническому решению выполнены технические проработки и необходимые расчеты для создания экспериментального образца.