Вихревой охладитель для каскадной холодильной установки

Полезная модель относится к криогенной технике, в частности к газовой промышленности, и может быть использована для охлаждения любых газов. Известны установки для охлаждения газов, конструктивные и технологические особенности которых обобщены в монографии «Энциклопедия газовой промышленности.
Недостатком таких разработок является их сложность, дороговизна и большие эксплуатационные расходы.
Известны такие установки на основе использования вихревых охладителей в качестве генераторов холода (например, «Способ сжижения газа и устройство для его осуществления» (Патент РФ №2044973), а также установки компонентного разделения потока путем последовательного и ступенчатого его расширения в вихревых охладителях («Установка сжижения и компонентного разделения газового потока» (Патент РФ №2103623).
Недостатком этих конструкций является нестабильность их работы и необходимость применения высокого давления (более 4,0 МПа).
Известен охлаждающий комплекс («Аппарат по сжижению газа» Патент РФ №2193740), в котором заявителям удалось снизить величину давления до 3,5 МПа за счет коллектирования отводов охлажденного потока вихревых охладителей, однако, в целом, упомянутое улучшение достигается за счет значительного усложнения конструкции, при этом сохраняется существенный недостаток - неполнота охлаждения.
В наиболее близком по технической сущности патенте («Установка сжижения» Патент РФ №2103620), принятом в качестве прототипа, вводится независимое расширение каждого из двух разделяемых потоков вихревого охладителя в своем свободном объеме.
Недостатком известной установки является малая эффективность теплообмена потока газа низкого давления, выходящего из вихревого охладителя, с встречно движущимся внутри трубок потоком газа высокого давления. При этом требуется высокое давление газа, не менее 4,0 Мпа.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение эффективности охлаждения за счет обеспечения ее полноты между прямым потоком газа (газа, условно высокого давления), и движущемуся ему навстречу охлажденного обратного потока (условно, низкого давления).
Указанный технический результат в заявленной полезной модели достигается тем, что в охлаждающем комплексе каскадной холодильной установки, содержащей корпус с размещенными в нем двумя теплообменниками с вихревым охладителем, имеющим отвод газа низкого давления, и теплообменником, в соответствии с новой полезной моделью, отвод газа низкого давления соединен со входом в межтрубное пространство теплообменника, а площадь сечения трубки теплообменника и площадь сечения отвода газа низкого давления одинакова.
В лабораторных условиях в качестве источника давления был применен пылесос марки FC9064/2 Red фирмы Филипс, в составе которого используется двухступенчатый центробежный вентилятор с частотным регулированием вращения ротора приводного электрического двигателя, способный (вентилятор) создавать давление в 0,5 атм. [6].
Сущность заявленной полезной модели поясняется Фиг. 1, на которой представлена схема заявленного охлаждающего комплекса каскадной холодильной установки.
В корпусе 1, заполненном изоляцией, расположен теплообменник 2 с трубками прямого потока 3, внутри которых проходит осушенный газ, условно, высокого давления, на выходе из теплообменника 2 имеется трубка выхода прямого потока 5. Трубка выхода прямого потока 5 разветвляется в распределителе потока 4 на трубку входа прямого потока 6 во второй теплообменник 10 и трубку входа прямого потока 7 в завихритель вихревого охладителя 8.
На выходе осевого потока из завихрителя 8 вихревого охладителя имеется трубка 9 выхода охлажденного осевого потока условно низкого давления со входом этой трубки во вход 12 в межтрубное пространство 11 второго теплобменника 10.
Межтрубное пространство 11 соединено с трубкой 14 с межтрубным пространством первого теплообменника 2.
Межтрубное пространство 17 первого теплообменника соединено трубкой 15 с эжектором 16 для доведения доли осевого потока до 25% от всего потока газа, входящего в вихревой охладитель.
Площадь сечения трубки входа прямого потока 6 во второй теплообменник 10 и площадь сечения трубки выхода осевого потока, условно, низкого давления 9 из завихрителя 8 равны.
Заявленная полезная модель апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.
Примеры конкретной реализации приведены ниже.
Пример 1.
На лабораторном макете проверена эффективность работы заявленной полезной модели на основе эффекта Ранка-Хилша при сверхнизком давлении экспансивным методом вихревого завихрителя при сверхнизком давлении в 0,015 Мпа [7]. При этом наименование «сверхнизкое давление» предусматривается как давление, располагающееся ниже границы наименования «низкое давление», в соответствие с указанным эффектом Ранка-Хилша и общепринятого в технике разграничения применяемых давлений (как указано в таблице):
Вихревой эффект охлаждения (эффект Ранка-Хилша) проявляется при давлениях на входе в вихревую трубу при долях атмосферы. Применение сверхнизкого давления в холодильном цикле позволяет использовать в качестве источника холодопроизводильности достаточно простой осевой вентилятор вместо дорогих и небезопасных в эксплуатации компрессоров. Было обнаружено среднее понижение температуры газа при выходе осевого потока из завихрителя по сравнению со стабилизированной температурой газа на входе в завихритель в 4 К.
Пример 2.
На лабораторном макете с помощью Трубки Пито-Прандтля было проанализировано и сопоставлено количество газа прямого потока, условно, высокого давления, во втором теплообменнике с количеством газа обратного охлажденного потока, условно, низкого давления, во втором теплообменнике, с количеством газа обратного охлажденного потока, условно, низкого давления во втором теплообменнике (при включенном эжекторе). Эти количества газа при их сопоставлении оказались одинаковы.
Пример 3.
Апробация была проведена с целью обоснования достижения указанного выше технического результата. Известен основной и наиболее значимый недостаток вихревого охладителя, в котором наиболее низкая температура осевого потока газа, условно, низкого давления, достигается, когда доля этого потока составляет 25-30% от всего потока газа, поступающего в охладитель. Остальная (периферическая) часть в количестве 75-70% от всего потока нагревается. Таким образом, примерно, только четвертая часть от всего потока выходит из вихревого охладителя охлажденной, а три четверти от всего потока выходят нагретыми.
Проведенные результаты апробации подтвердили заявленный технический результат: повышение эффективности охлаждения за счет обеспечения ее полноты между прямым потоком газа (газа, условно высокого давления), и движущегося ему навстречу охлажденного обратного потока (условно, низкого давления), а также снижения сложности и трудоемкости устройства.
Список использованной литературы
1. Энциклопедия газовой помышленности МАО, «Квант», 4ое издание, 1994 г., стр. 452-461.
2. Патент 2044973, класс F25J 1/00.
3. Патент 2103623, класс F25J 1/00.
4. Патент 2193740, класс F25J 1/00.
5. Патент 2103620, класс F25J 1/00 (прототип).
6. Акт «Испытание вентилятора пылесоса марки FC9064/2 Red фирмы Филипс на предельное давление. 24 октября 2014 г., лаборатория физики конденсированного состояния при отделе физике твердого тела НИИ Физики при СПбГУ, Старый Петергоф, Ульяновская ул., д. 1».
7. A.M. Архаров и др. «Криогенные системы», Москва, изд. «Машиностроение», 1988 г., стр. 155.