УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА

Полезная модель относится к криогенной технике и, в частности, к криогенным компрессорно-детандерным газожидкостным воздухоразделительным установкам, а также к жидкостным криогенным системам, предназначенным для бездренажного хранения криогенных продуктов в состоянии недогретой жидкости.
Известно устройство для охлаждения сжатого газа, реализующее известный способ работы охлаждающего устройства, которое содержит рекуперативный теплообменник и вихревую трубу с двумя потоками газа, с помощью которой поступающий в исходном термодинамическом состоянии сжатый газ разделяется в зависимости от температуры на горячий и холодный потоки [1]. Относительно горячий поток подается на вход прямого потока рекуперативного теплообменника, а холодный поток вихревой трубы поступает на вход обратного потока или на выход прямого рекуперативного теплообменника. При этом горячий поток перед подачей в рекуперативный теплообменник предварительно охлаждают.
Недостаток известного устройства получения холода состоит в низкой термодинамической эффективности процесса расширения сжатого газа в вихревой трубе, который производится без отдачи «внешней» работы. Вследствие этого экономичность данного известного устройства получения холода низкая.
Наиболее близким известным техническим решением в качестве прототипа является устройство для получения холода, реализующее известный способ производства холода в криогенных установках, которое содержит нижнюю и верхнюю ректификационные колонны, конденсатор-испаритель, установленный между верхней и нижней ректификационными колоннами, первый, второй, третий и четвертый теплообменники-охладители, первый, второй и третий дроссели, продукционный криогенный сосуд азота с погруженным теплообменником-охладителем, продукционный криогенный сосуд кислорода с погруженным теплообменником-охладителем и последовательно соединенные между собой воздушный компрессор, водяной скруббер, адсорбционный блок комплексной очистки воздуха, основной рекуперативный теплообменник, влажно-паровой детандер и детандерный сборник-отделитель жидкости, паровой выход которого совместно с паровыми выходами погруженных теплообменников-охладителей подсоединен через основной рекуперативный теплообменник к входу воздушного компрессора, верхний выход нижней ректификационной колонны соединен с входом продукционного криогенного сосуда кислорода с погруженным теплообменником-охладителем, один нижний выход нижней ректификационной колонны подсоединен через первый дроссель к первому входу верхней ректификационной колонны, другой нижний выход нижней ректификационной колонны связан через последовательно соединенные второй теплообменник-охладитель и второй дроссель со вторым входом верхней ректификационной колонны, один выход конденсатора-испарителя подсоединен через третий теплообменник-охладитель с входом продукционного криогенного сосуда азота с погруженным теплообменником-охладителем, другой выход конденсатора-испарителя связан через четвертый теплообменник-охладитель и третий дроссель с третьим входом верхней ректификационной колонны, выход которой связан через четвертый теплообменник-охладитель и основной рекуперативный теплообменник с атмосферным воздухом, выходы жидких фаз детандерного сборника-отделителя жидкости и погруженных теплообменников-охладителей продукционных криогенных сосудов азота и кислорода подсоединены через первый теплообменник-охладитель и основной рекуперативный теплообменник с входом воздушного компрессора, выход адсорбционного блока комплексной очистки воздуха подключен через основной рекуперативный теплообменник с входом нижней ректификационной колонны, жидкостные выходы детандерного сборника-отделителя жидкости и погруженных теплообменников-охладителей жидкого азота и жидкого кислорода подсоединены через параллельно соединенные между собой первый, второй и третий теплообменники-охладители и основной рекуперативный теплообменник к входу воздушного компрессора [2]. За счет сжатия газообразного хладагента до давления больше критического (среднего и высокого давления), охлаждения его обратным потоком воздуха, разделения прямого потока на основную и дополнительные части, из которых дополнительную часть потока используют для компенсации необратимых потерь, а основную часть потока адиабатически последовательно расширяют в детандерах, при этом в детандере нижней ступени охлаждения хладагент основной части потока полностью ожижают, а дополнительный поток, после детандирования от сверхкритического давления до промежуточного давления, ожижают в теплообменнике дроссельной ступени охлаждения. Полученные жидкие хладагенты отводят потребителю в продукционные криогенные сосуды азота и кислорода, а пары используют для охлаждения основной и дополнительной частей прямого потока воздуха.
Недостатком прототипа является его низкая экономичность и низкий КПД, так как полное сжижение хладагента в турбодетандере нижней ступени охлаждения установки приводит к существенному снижению КПД детандера, которое наступает при степени влажности более 7% [3]. Указанные недостатки значительно уменьшают экономичность установки.
Целью полезной модели является повышение экономичности и удельной холодильной мощности компрессорно-детандерной криогенной установки путем использования в холодильном цикле теплоты испарения жидкой фазы хладагента, полученной при детандировании хладагента, сжатого до давления ниже критического в область влажного пара.
Сущность полезной модели состоит в том, что, кроме известных и общих с прототипом отличительных признаков, которые характеризуются тем, что устройство для получения холода, содержит нижнюю и верхнюю ректификационные колонны, конденсатор-испаритель, установленный между верхней и нижней ректификационными колоннами, первый, второй, третий и четвертый теплообменники-охладители, первый, второй и третий дроссели, продукционный криогенный сосуд азота с погруженным теплообменником-охладителем, продукционный криогенный сосуд кислорода с погруженным теплообменником-охладителем и последовательно соединенные между собой воздушный компрессор, водяной скруббер, адсорбционный блок комплексной очистки воздуха, основной рекуперативный теплообменник, влажно-паровой детандер и детандерный сборник-отделитель жидкости, паровой выход которого совместно с паровыми выходами погруженных теплообменников-охладителей подсоединен через основной рекуперативный теплообменник к входу воздушного компрессора, верхний выход нижней ректификационной колонны соединен с входом продукционного криогенного сосуда кислорода с погруженным теплообменником-охладителем, один нижний выход нижней ректификационной колонны подсоединен через первый дроссель к первому входу верхней ректификационной колонны, другой нижний выход нижней ректификационной колонны связан через последовательно соединенные второй теплообменник-охладитель и второй дроссель со вторым входом верхней ректификационной колонны, один выход конденсатора-испарителя подсоединен через третий теплообменник-охладитель с входом продукционного криогенного сосуда азота с погруженным теплообменником-охладителем, другой выход конденсатора-испарителя связан через четвертый теплообменник-охладитель и третий дроссель с третьим входом верхней ректификационной колонны, выход которой связан через четвертый теплообменник-охладитель и основной рекуперативный теплообменник с атмосферным воздухом, выходы жидких фаз детандерного сборника-отделителя жидкости и погруженных теплообменников-охладителей продукционных криогенных сосудов азота и кислорода подсоединены через первый теплообменник-охладитель и основной рекуперативный теплообменник с входом воздушного компрессора, выход адсорбционного блока комплексной очистки воздуха подключен через основной рекуперативный теплообменник с входом нижней ректификационной колонны, жидкостные выходы детандерного сборника-отделителя жидкости и погруженных теплообменников-охладителей жидкого азота и жидкого кислорода подсоединены через параллельно соединенные между собой первый, второй и третий теплообменники-охладители и основной рекуперативный теплообменник к входу воздушного компрессора, предлагаемая установка для получения холода содержит электронагреватель, насос жидкого кислорода, теплообменник-испаритель, дифференциальный манометр и две блока измерений давления и температуры, подключенные к входу и выходу влажно-парового детандера, дифференциальный манометр подключен к выходам паровой и жидкой фазам детандерного сборника-отделителя жидкости, вход насоса жидкого кислорода соединен с входом продукционного криогенного сосуда кислорода, выход насоса жидкого кислорода подключен через одну магистраль теплообменника-испарителя к потребителю сжатого газообразного кислорода, другая магистраль которого включена в цепь между выходом адсорбционного блока комплексной очистки воздуха и входом влажно-парового детандера, электронагреватель включен в магистраль, соединяющую выход верхней ректификационной колонны с адсорбционным блоком комплексной очистки воздуха.
Новизна полезной модели заключается в том, что предлагаемая установка для получения холода содержит электронагреватель, насос жидкого кислорода, теплообменник-испаритель, дифференциальный манометр и две блока измерений давления и температуры, подключенные к входу и выходу влажно-парового детандера, дифференциальный манометр подключен к выходам паровой и жидкой фазам детандерного сборника-отделителя жидкости, вход насоса жидкого кислорода соединен с входом продукционного криогенного сосуда кислорода, выход насоса жидкого кислорода подключен через одну магистраль теплообменника-испарителя к потребителю сжатого газообразного кислорода, другая магистраль которого включена в цепь между выходом адсорбционного блока комплексной очистки воздуха и входом влажно-парового детандера, электронагреватель включен в магистраль, соединяющую выход верхней ректификационной колонны с адсорбционным блоком комплексной очистки воздуха, что обеспечивает повышение экономичности и удельной холодильной мощности компрессорно-детандерной криогенной установки.
Диаграмма «давление-энтропия», поясняющая принцип работы предлагаемой установки для получения холода, и ее функциональная схема изображены на фиг.1 и 2 соответственно.
На фиг.1 и 2 обозначено:
- линия (в-с) отображает процесс детандирования в область влажного пара части прямого потока воздуха, сжатого до давления ниже критического;
- линия (g-f) отображает процесс дросселирования жидкого воздуха, охлажденного до состояния недогретой жидкости;
- линия (m-j) отображает процесс дросселирования жидкого воздуха в состоянии насыщенной жидкости;
c
- параметр (i-x) отображает степень влажности воздуха в конце детандирования;
a
- T - температура прямого потока на входе в рекуперативный (основной) теплообменник;
r
- T - температура обратного потока воздуха на выходе из основного теплообменника;
e
- T - температура начала конденсации сжатого воздуха;
n
- T - температура сжатого воздуха в состоянии недогретой жидкости;
d
- T - температура обратного потока воздуха в состоянии насыщенного пара;
- линия (в-c), отображающая процесс влажно-парового детандирования;
- линия (в-d), отображающая процесс газо-парового детандирования;
- линия (a-в-e-m-n-f-c-d-r), отображающая холодильный цикл с влажно-паровым детандированием;
- линия (a-в'-e-m-n-f-c-d-i), отображающая холодильный цикл с газопаровым детандированием.
1 - воздушный компрессор;
2 - водяной скруббер;
3 - адсорбционный блок комплексной очистки воздуха (БКО);
4 - основной рекуперативный теплообменник;
5 - влажно-паровой детандер;
6 - детандерный сборник-отделитель жидкости;
7 и 8 - погруженные теплообменники-охладители;
9, 10, 11 и 12 - теплообменники-охладители;
13, 14 и 15 - дроссели;
16 - нижняя ректификационная колонна;
17 - верхняя ректификационная колонна;
18 - конденсатор-испаритель;
19 и 20 - продукционные криогенные сосуды азота и кислорода соответственно;
21 - электронагреватель БКО;
22 - насос жидкого кислорода;
23 - теплообменник-испаритель;
24 - дифференцирующий манометр;
25 и 26 - измерители давления и температуры;
27 и 28 - измерители давления и температуры.
В исходном положении воздушный компрессор 1, водяной скруббер 2, адсорбционный блок комплексной очистки воздуха 3, основной рекуперативный теплообменник 4, влажно-паровой детандер 5 и детандерный сборник-отделитель жидкости 6 соединены между собой в виде последовательной цепи. Паровые выходы погруженных теплообменников-охладителей 7 и 8 подключены через основной рекуперативный теплообменник 4 к входу воздушного компрессора 1. Жидкостные выходы погруженных теплообменников-охладителей 7 и 8 подключены через теплообменники-охладители 9, 10, 11 и основной рекуперативный теплообменник 4 к входу воздушного компрессора 1. Выход теплообменника-охладителя 12 связан через основной рекуперативный теплообменник 4 с атмосферным воздухом. Через дроссели 13, 14 и 15 подключены нижний выход нижней ректификационной колонны 16 непосредственно, через теплообменник-охладитель 10 и выход теплообменника 12 соответственно. Выход верхней ректификационной колонны 17 связан через основной рекуперативный теплообменник 4 с атмосферным воздухом. Выход конденсатора-испарителя 18 через теплообменник-охладитель 11 подключен к входу продукционного криогенного сосуда азота 19. Выход нижней ректификационной колонны 16 подключен через теплообменник-охладитель 9 к входу продукционного криогенного сосуда кислорода 20. Электронагреватель БКО 21 включен в магистраль, соединяющую выход верхней ректификационной колонны 17 с адсорбционным блоком комплексной очистки воздуха 3. Выход насоса жидкого кислорода 22 подсоединен к входу теплообменника-испарителя 23. Дифференцирующий манометр 24 включен в магистраль, соединяющую паровой и жидкостной выходы детандерного сборника-отделителя жидкости 24. Выходы измерителей давления и температуры 25 и 26 подключены к входу влажно-парового детандера 5, а выходы измерителей давления и температуры 27 и 28 подключены к выходу влажно-парового детандера 5.
Установка для получения холода работает следующим образом. Воздушный компрессор 1 сжимает воздух до давления ниже критического и нагнетает его через водяной скуббер 2 в блок комплексной очистки воздуха 3. После комплексной очистки поток осушенного и очищенного сжатого воздуха делят на два прямых потока: прямой детандерный и прямой технологический, которые направляют в основной рекуперативный теплообменник 4, в последнем котором эти два прямых потока охлаждают за счет холода двух обратных потоков: азота низкого давления из верхней ректификационной колонны 17 и циркуляционного потока детандерного воздуха низкого давления.
Охлажденный в теплообменнике 4 прямой детандерный поток детандируют в детандере 5 в область влажного пара, после чего из расширенного детандерного потока в детандерном сборнике - отделителе жидкости 6 получают: жидкую фазу - обогащенный кислородом воздух в состоянии насыщенной жидкости и паровую фазу - обогащенный азотом воздух в состоянии насыщенного пара. Контролируют процесс детандирования сжатого воздуха перед влажно-паровым детандером 5 по температуре - термометром сопротивления 26 и по давлению - манометром 25, а после детандера 5 по температуре - термометром сопротивления 28, по давлению - манометром 27, и по степени влажности - с помощью указателя уровня жидкого воздуха сборника - отделителя жидкости 6. Охлажденный в теплообменнике 4 прямой технологический поток сжатого воздуха в состоянии насыщенного пара направляют на разделение в нижнюю ректификационную колонну 16. Из верхней части нижней колонны 16 пар азота направляют в конденсатор 18, где азот конденсируются, образуя азотную флегму. Жидкий азот частично направляют на орошение тарелок нижней колоны 16 и частично направляют через теплообменник-охладитель 12 в состоянии недогретой жидкости через дроссель 15 на орошение верхней ректификационной колонны 17. В последнюю направляют также кубовую жидкость из нижней колонны 16 через дроссель 13 в состоянии насыщения и через дроссель 14 в состоянии недогретой жидкости из теплообменника-охладителя 10.
Из нижней части верхней ректификационной колонны 17 жидкий кислород в виде продукта через теплообменник-охладитель 9 в состоянии недогретой жидкости направляют в продукционный криогенный сосуд кослорода 20 и через насос жидкого кислорода 22 в теплообменник-испаритель (газификатор) 23.
Жидкий азот из нижней ректификационной колонны 16 в виде продукта через теплообменник-охладитель 11 в состоянии недогретой жидкости направляют в продукционный криогенный сосуд 19. Для охлаждения до состояния недогретой жидкости продукционных жидкого азота, жидкого кислорода, кубовой жидкости, а также для криогенного статирования жидкого кислорода и жидкого азота в криогенных сосудах 19 и 20, испаряют отбираемый из детандерного сборника-отделителя жидкости 6 жидкий воздух при давлении, близком к атмосферному, соответственно с помощью теплообменников-охладителей 11, 9 и 10 и погруженных теплообменников-охладителей жидкого кислорода 8 и жидкого азота 7.
c
Работая с помощью предлагаемого устройства можно повысить холодопроизводительность турбомашинных газожидкостных холодильных установок разделения воздуха низкого давления на 25…30%, что подтверждают диаграммы T-S, приведенные на фиг.1, где линия (в-c) соответствует процессу детандирования в область влажного пара части прямого потока воздуха, сжатого до давления ниже критического. Линия (g-f) отображает процесс дросселирования жидкого воздуха, охлажденного до состояния недогретой жидкости. Линия (m-j) отвечает процессу дросселирования жидкого воздуха в состоянии насыщенной жидкости, где степень влажности воздуха в конце детандирования определяется величиной (i-x). Предлагаемые изобарические процессы детантирования и дросселирования выгодно отличаются от известной в прототипе изобары, изображенной на фиг.1 жирной пунктирной линией, тем, что технически реализуются при низком рабочем давлении.
В предлагаемом устройстве с помощью блоков измерения температуры 26 и давления 27, а также с помощью блоков измерения давления 27 и температуры 28 отслеживается температура и давление прямого детандерного потока воздуха до и после его адиабатического расширения с помощью влажно-парового детандера 5, которое заканчивают в области влажного пара при степени влажности не более 20% и при давлении, близком к атмосферному.
Дополнительное снижение энергетических затрат на работу криогенной установки, достигается тем, что выход теплообменника 12 подключен через электронагреватель 21 блока комплексной очистки воздуха 3 для повышения производительности его работы.
Промышленная осуществимость предлагаемой полезной модели обосновывается тем, что в ней использованы известные агрегаты, механизмы и узлы, указанные в аналоге и прототипе, по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе изготовлена модель установки для производства холода в 2012 году.
Положительный эффект от использования изобретения состоит в том, что повышается не менее чем на 25…30% холодопроизводительность турбомашинных газожидкостных установок разделения воздуха низкого давления на кислород и азот большой мощности при одновременном снижении удельных энергетических затрат не менее чем на 15…20%.
Источники информации
1. Способ работы охлаждающего устройства и охлаждающее устройство, патент 2193739 РФ, МПК F25B 9/02, приоритет: 03.03.2000 г., автор и патентообладатель: Белостоцкий Ю.Т., (аналог).
2. Способ производства холода. Авторское свидетельство №606042 СССР, МПК F25B 9/02, F25J 1/00, приоритет: 03.03.1976, авторы: Корсаков-Богатков С.М. и др., заявитель: Предприятие «Почтовый ящик М-5096», (прототип).
3. Давыдов А.Б, Кобулашвили А.Ш. Расчет и конструирование турбодетандеров. М.: Машиностроение 1987, 232 с.