СИСТЕМА ПОДАЧИ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области криогенной техники, в частности к системам транспортировки криогенной жидкости от завода-изготовителя или хранилищ до танкеров-газовозов, силовых установок, вагонов, автомобилей или трубопроводов, снабженных холодильными установками.
К криогенным продуктам относятся жидкие вещества и газовые смеси при криогенных температурах. Это могут быть азот, кислород, гелий, водород, сжиженный природный газ (СПГ) и другие продукты.
Из криогенных продуктов СПГ, получаемый из природного газа, является одним из важнейших источников энергии: запасы природного газа огромны и преимущественно он является экологически чистым топливом по сравнению с нефтепродуктами. Из всего добываемого в мире природного газа более 26% сжижается и транспортируется в жидком виде.
В настоящее время за рубежом СПГ, в основном, используется в качестве топлива на крупных электростанциях, для газоснабжения населения и промышленных объектов, а также как сырье для химической промышленности.
Применение СПГ в качестве моторного топлива для различных видов силовых установок и транспортных средств дает энергетические и экологические преимущества, а также является экономически выгодным.
Известен типоразмерный ряд электронасосов для перекачивания СПГ производства АО «Лопастные гидравлические машины», г.Москва. Данные насосы предназначены для подачи СПГ на силовые установки, танкеры-газовозы, береговые хранилища и другим потребителям.
Однако использование электродвигателей требует больших затрат электроэнергии при заполнении танкеров-газовозов. Это заметно ухудшает экологические показатели окружающей среды при производстве электроэнергии. Кроме того, удельная стоимость таких насосов является высокой из-за низких оборотов электродвигателей. Это также приводит к повышенной массе агрегатов в целом.
Известен насос подачи СПГ с приводом от высокооборотной турбины, соединенной валом с насосом. Например, использование водородного насоса жидкостного ракетного двигателя РД-0146 с приводом от турбины для перекачки СПГ с оборотами n=25000об/мин позволяет существенно снизить массу насоса по сравнению с насосами производства АО «ЛГМ» (см. статью: Гуров В.И., Демьяненко Ю.В., Рачук B.C. Наземное использование водородного турбонасосного агрегата двигателя РД-0146. Энергия: экономика-техника-экология, №3, 2017, с. 23-27).
Основным недостатком рассмотренного технического решения является использование в качестве рабочего тела турбины газообразного азота. Это приводит к необходимости организации дополнительного производства азота вблизи завода-изготовителя СПГ, что сопряжено с ухудшением экологических показателей окружающей среды. Кроме того, выполнение насоса и турбины в разных корпусах повышает стоимость оборудования в целом и усложняет уплотнение зазоров между ротором и корпусами.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является система подачи жидкого кислорода (патент РФ №2547353, МПК F02K 9/48, F04D 1/10, 2014). Система подачи жидкого кислорода (криогенной жидкости) содержит турбонасос в виде соосно расположенных шнековых насосов (первый и второй каскады) и центробежного насоса (третий каскад) с автономными приводами. В качестве приводов шнековых насосов используют осевые газовые турбины, а в качестве привода центробежного насоса - газовую турбину, соединенную валом с насосом. Кроме того, система содержит бак с жидким кислородом, потребитель жидкого кислорода, источник газа высокого давления и температуры и расходные магистрали с вентилями. Шнековые насосы выполнены диагональными с осевыми входами и выходами. Причем вход насоса соединен с баком жидкого кислорода, а выход - через шнековые и центробежный насос с потребителем жидкого кислорода. Осевые газовые турбины расположены коаксиально соответственно на наружных диаметрах шнековых насосов и скреплены с ними. Входы осевых газовых турбин шнековых насосов через расходные магистрали с вентилями соединены с источником газа, а выходы - с выходами шнековых насосов.
Работа системы по прототипу осуществляется за счет подачи из источника газа высокого давления и температуры на вход в турбины центробежного и шнековых насосов. С началом вращения турбин в шнековый насос первого каскада по расходной магистрали поступает из бака жидкий кислород, давление которого повышается по мере прохождения через шнековые насосы первого и второго каскада, а также через центробежный насос. Причем на выходе из шнековых насосов жидкий кислород смешивается с газом из турбин привода шнеков. Эта смесь поступает в центробежный насос, а затем к потребителю.
Система позволяет повысить эффективность подачи жидкого кислорода и существенно уменьшить массу турбонасосного агрегата, прежде всего, за счет совмещения корпусов шнековых насосов и турбин. Особенностью системы по прототипу является узкая область применения кислородного насоса: только в составе жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Это выражается в том, что потребителем жидкого кислорода является, в основном, камера сгорания ЖРД, а источником газа высокого давления для шнековых насосов является полость за выходом основной газовой турбины - привода центробежного насоса. В газе присутствуют продукты сжигания в виде паров воды и двуокиси углерода. Основным недостатком прототипа является загрязнение жидкого кислорода посторонними включениями из-за поступления газа после турбин шнековых насосов в поток жидкого кислорода. С таким загрязнением жидкий кислород можно использовать, например, в камерах сгорания непрерывного действия. Однако во многих сферах производственной деятельности криогенную жидкость с таким недостатком использовать недопустимо.
Техническая проблема, решение которой требуется при осуществлении полезной модели, заключается в сохранении химико-технических характеристик криогенной жидкости при подаче ее из бака потребителю для удовлетворения заданных требований.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в исключении попадания в криогенную жидкость примесей и посторонних компонентов при подаче ее из бака потребителю криогенной жидкости.
Технический результат обеспечивается тем, что система подачи криогенной жидкости содержит турбонасос со шнековым насосом, бак с криогенной жидкостью, потребитель криогенной жидкости, источник газа высокого давления и расходные магистрали. Вход насоса соединен с баком криогенной жидкости через расходную магистраль с вентилем, а выход - с потребителем криогенной жидкости. Турбина выполнена коаксиально наружному диаметру шнека насоса и скреплена с ним. Вход турбины через расходную магистраль с вентилем соединен с источником газа, а выход объединен с выходом насоса к потребителю.
Согласно полезной модели вход в турбину соединен с источником газа, одинакового по составу и химической формуле с криогенной жидкостью в баке, причем газ высокого давления в источнике имеет температуру, равную температуре окружающей среды.
При такой системе подачи криогенной жидкости:
- заполнение источника высокого давления газом по составу и химической формуле, одинаковым с криогенной жидкостью в баке, обеспечивает сохранение заданных характеристик криогенной жидкости при подаче ее из бака потребителю;
- поддержание в источнике высокого давления газа его температуры, равной температуре окружающей среды, задается посредством выбора объема источника давления и цикличности подачи газа в турбонасосный агрегат. Это обеспечивает повышение надежности системы подачи криогенной жидкости при заданном ресурсе работы. В частности, для СПГ источником газа высокого давления с температурой окружающей среды может быть газопровод природного газа, расположенный вблизи завода по производству СПГ.
Сочетаниями криогенной жидкости с одинаковым ей по составу и химической формуле газу могут быть:
- жидкий кислород - газообразный кислород;
- жидкий азот - газообразный азот;
- сжиженный природный газ (СПГ) - газообразный природный газ;
- жидкий водород - газообразный водород.
Настоящая полезная модель поясняется последующим схематичным описанием конструкции и работы системы подачи криогенной жидкости (см. прилагаемый чертеж).
Система подачи криогенной жидкости содержит шнековый насос 1 с выходом 2 к потребителю (не показано) криогенной жидкости, например СПГ, осевую газовую турбину 3, источник 4 природного газа высокого давления и с температурой окружающей среды, бак 5 с СПГ, расходную магистраль 6 СПГ с вентилем 7 и расходную магистраль 8 природного газа с вентилем 9. Вход насоса 1 соединен с баком 5 СПГ через расходную магистраль 6 с вентилем 7. Турбина 3 выполнена коаксиально наружному диаметру насоса 1 и скреплена с ним. Вход турбины 3 через расходную магистраль 8 с вентилем 9 соединен с источником газа 4 высокого давления. Источник 4 заполнен природным газом по составу и химической формуле одинаковому с СПГ в баке 5. Природный газ в источнике 4 имеет температуру, равную температуре окружающей среды. Работа системы подачи СПГ осуществляется за счет открытия вентиля 9 в расходной магистрали 8 и подачи из источника 4 природного газа высокого давления с температурой окружающей среды на вход в турбину 3 и далее на выход 2 насоса 1. С началом вращения турбины 3 в насос 1 из бака 5 по расходной магистрали 6 через открытый вентиль 7 поступает СПГ. По мере прохождения через шнековый насоса 1 давление СПГ повышается. На выходе 2 из насоса 1 СПГ смешивается с природным газом из турбины 3. Затем эта смесь без примесей и посторонних компонентов поступает к потребителю.
Природный газ после транспортировки СПГ и его регазификации используется в фармакологической, медицинской и химической отраслях промышленности.
Возможно использование природного газа в качестве топлива в металлургической, автомобильной, цементной, легкой, пищевой и других отраслях промышленности.
Природный газ применяется для синтезирования полиэтилена и в качестве сырья для создания разнообразных органических веществ: кислот, спирта, пластмасс, каучука.
Предлагаемая система подачи обладает высоким конверсионным потенциалом по возможности перекачки различных криогенных жидкостей, прежде всего, жидких кислорода и водорода. Расчеты показывают, что при числе оборотов турбонасоса, равном 6400 об/мин, можно при наружном диаметре шнека, равном 0,23 м, достичь для расхода 460 кг/с жидкого кислорода перепада в насосе, равном 0,16 МПа (см. табл.). При сохранении неизменным указанного числа оборотов турбонасоса достигаемые расчетные параметры для жидких водорода и СПГ представлены в таблице. Очевидно, что изменение мощности турбонасоса обеспечивается изменением давления газа перед турбиной, поступающего из источника 4, с использованием вентиля 9, установленного в расходной магистрали 8.
Данные, представленные в таблице, иллюстрируют широкие возможности применения системы подачи криогенных жидкостей, используемых в самых различных отраслях промышленности. В частности, применительно к жидкому водороду можно при его криогенной заправке емкостей получать при малых энергозатратах газообразный водород сверхвысокого давления (до 100 МПа) и высокой чистоты (до 99,99) своего состава, что необходимо для надежной работы топливных элементов беспилотных летательных аппаратов.