СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ШУГИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD OF ICE SLURRY PRODUCTION AND RELATED DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу производства шуги, в которой твердые микрочастицы смешиваются с жидкостью, и к устройству для осуществления этого способа.
Описание предшествующего уровня техники
Прежде шуга, в которой мелкие твердые частицы смешиваются с жидкостью при криогенной температуре, широко использовалась в нескольких областях техники. Шуга имеет такую характерную черту, что ее плотность является большей, чем плотность отдельной жидкости на величину, соответствующую твердым частицам, и ее теплотворная способность является большей, чем теплотворная способность жидкости на величину, соответствующую ее скрытой теплоте. Далее, поскольку ее охлажденное состояние может удерживаться в теплоизоляционном контейнере в течение длительного времени, большое внимание уделяется шуге с точки зрения различных применений, как, например, термическая установка для льдохранилища, использующая систему динамического льда, холодильная установка, как, например, оборудование для сверхпроводника, использующее азотную шугу, или хранилище водородного топлива и проводящая система, использующие водородную шугу.
Холодильная установка, использующая азотную шугу, будет объяснена как пример. Поскольку эта установка использует точку плавления азота (63К), как один из характерных признаков, здесь представлен такой признак, когда охлаждение может осуществляться при более низкой температуре, и кроме того, холодопроизводительность является большей на величину, соответствующую скрытой теплоте (25,72 кДж/кг) его плавления. Кроме того, температура азота является постоянной (63К) до тех пор, пока твердая часть полностью расплавляется.
Как типичный способ производства шуги представлен способ, в котором охлаждение осуществляется посредством теплообмена между жидкостью и гелием, имеющим криогенную температуру, через теплопередающую поверхность, и затем твердое вещество, прилипающее к теплопередающей поверхности, соскребается с тем, чтобы производить твердые микрочастицы, и способ, в котором осуществляется сброс давления жидкости с тем, чтобы производить твердые частицы.
Например, патентный документ 1 (патент Японии № Н06-281321) раскрывает предшествующий способ, то есть патентный документ раскрывает способ производства водородной шуги, в котором жидкий водород вводится в адиабатический контейнер, то есть жидкий водород расширяется до давления не выше, чем давление в тройной точке, и вводится в контейнер, в котором жидкий водород охлаждается до переохлажденного состояния посредством переохладителя, использующего низкотемпературный гелий, служащий источником охлаждения, для того, чтобы происходило отложение твердого водорода на поверхности охлаждения переохладителя, и отложенный таким образом твердый водород очищается посредством шнека.
Однако в этом способе требуется гелиевая холодильная машина как дополнительное оборудование, и соответственно, возникает проблема, когда выполнение зазора между лопастью шнека и поверхностью охлаждения является трудным, и, кроме того, механизм этого выполнения является сложным.
В последнем способе внутренняя часть адиабатического контейнера, в котором сохраняется жидкость, вакуумируется посредством вакуумного насоса до тройной точки с тем, чтобы производить твердые частицы.
Однако имеются следующие проблемы в случае применения водородной шуги в холодильной установке:
1) Шуга имеет потери давления большие, чем потери давления жидкости при низком расходе. Однако она имеет большую абсолютную величину потери давления при высоком расходе, так что ее коэффициент передачи ухудшается; и
2) Расход не может быть установлен на относительно низкой величине, поскольку твердые частицы диссоциируют и отлагаются.
Соответственно, предпочтительно, чтобы размеры твердых частиц были небольшими и равномерными.
Далее, что касается длинного охлаждаемого расстояния для сверхпроводящего силового кабеля или тому подобного, возникают следующие проблемы в дополнение к вышеупомянутым проблемам:
1) Теплотворная способность кабеля чрезвычайно низка, чтобы обеспечить лишь относительно низкий расход;
2) Чем длиннее охлаждаемое расстояние, тем больше поступление теплоты от насоса для повышения давления, восполняющего падение давления.
Соответственно, самым лучшим условием для повышения эффективности является понижение расхода с тем, чтобы уменьшить потери давления.
Однако в процессе производства азотной шуги с использованием вакуумирования, твердые частицы, созданные на поверхности жидкости посредством вакуумирования, диффундируют в жидкость посредством перемешивающих лопастей, и соответственно, размеры частиц не могут удерживаться равномерными, причем некоторые из них имеют большие размеры частиц.
Таким образом, патентный документ 2 (патент Японии №2003-517411) раскрывает способ производства твердых частиц из частиц жидкости, распыляемых из сопла.
Далее, патентный документ 3 (патент Японии №8-285420) раскрывает подобный способ, в котором давление в резервуаре для производства водородной шуги понижают посредством трубопровода для вакуумирования, установленного в резервуаре, и посредством распыления жидкого водорода из сопла для распыления жидкого водорода, установленного в резервуаре, причем жидкая фаза водорода изменяется на твердый водород и сохраняется в нижней части резервуара благодаря его скрытой теплоте парообразования. Далее, после того, как атмосферное давление устанавливают в резервуаре с тем, чтобы выпускать испаряемый газ через трубопровод для выпуска газа посредством прекращения вакуумирования, жидкий водород, который подают из сопла для распыления жидкого водорода, смешивают с ним для того, чтобы производить азотную шугу. Таким образом, могут быть произведены микрочастицы, имеющие равномерные размеры частиц.
Патентный Документ 1: патент Японии № Н6-281321
Патентный Документ 2: патент Японии №2003-517411
Патентный Документ 3: патент Японии № Н8-285420
Раскрытие изобретения
Проблемы, которые будут решены посредством изобретения
Однако в способе, раскрытом в патентном документе 2, газообразный гелий используется для охлаждения частиц жидкости, и соответственно, неизбежно осуществляется смешивание гелия с произведенной шугой. Подобно этому, способ, раскрытый в патентном документе 3, обеспечивает смешивание других веществ с более высокой степенью возможности в течение производства, и в этом случае те вещества, которые имеют температуру выше, чем точка плавления веществ, образующих шугу, затвердевают и прилипают к поверхности стенки, в то время как те вещества, которые имеют температуру ниже, чем их точка кипения, диссоциируют в форме газа и объединяются на более высоком уровне. Во всяком случае, проблемы для проводящего трубопровода обеспечиваются в обоих случаях.
Далее, в патентном документе 3, поскольку газ, проходящий через выпускной трубопровод, выпускается в атмосферу, возникает проблема низкой эффективности. Далее, в патентном документе 3, после образования твердого водорода из жидкого водорода, распыляемого из сопла, если вакуумирование прекращается с целью повышения давления, температура водорода на выходе из сопла повышается, в результате возникает проблема плавления твердого водорода.
Таким образом, настоящее изобретение создано с точки зрения вышеупомянутых проблем, и соответственно, задачей настоящего изобретения является обеспечение способа производства шуги и устройство для его осуществления, которые могут несомненно обеспечить производство шуги, содержащей твердые микрочастицы с равномерным размером частиц, и которые могут предотвратить смешивание ее с примесями с тем, чтобы производить и перемещать шугу с высокой степенью эффективности и высокой степенью надежности.
Средства для решения проблем
Чтобы решить вышеупомянутые проблемы в соответствии с настоящим изобретением, предусмотрен способ производства шуги, в котором жидкие и твердые частицы перемешивают вместе, включающий стадии: первоначальное заполнение жидкостью адиабатического контейнера, вакуумирование внутренней части адиабатического контейнера до давления в тройной точке жидкости и после этого распыление жидкости в виде микрочастиц внутрь адиабатического контейнера посредством средства для подачи жидкости с тем, чтобы жидкость затвердевала благодаря ее скрытой теплоте парообразования с тем, чтобы создавать твердые частицы, и смешивание созданных твердых частиц с первоначально заполняющей жидкостью с тем, чтобы производить шугу.
Согласно настоящему изобретению, поскольку контейнер первоначально заполняют жидкостью заранее, частицы жидкости, распыляемые в адиабатический контейнер, охлаждают до тройной точки посредством вакуумирования адиабатического контейнера, посредством чего возможно производить твердые частицы. В то же время первоначально заполняющая жидкость предпочтительно имеет температуру насыщения, и, соответственно, ее можно удобно охладить до тройной точки только посредством вакуумирования для того, чтобы создавать твердые частицы. Далее, предусматривая средство для подачи жидкости для распыления жидкости в виде мелких частиц с тем, чтобы образовать твердые частицы, возможно управлять размерами частиц. В результате, может быть произведена шуга, содержащая твердые микрочастицы с равномерными размерами частиц. Таким образом, в случае использования произведенной шуги как холодильного агента в холодильной установке, эффективная передача и охлаждение могут быть произведены без диссоциации и отложения твердых частиц.
Далее, согласно настоящему изобретению, теплоизоляционный материал для разделения газ-жидкость для предотвращения испарения или затвердевания жидкости, предпочтительно предусмотрен на поверхности жидкости, которой был первоначально заполнен адиабатический контейнер.
Посредством обеспечения теплоизоляционным материалом для разделения газ-жидкость испарение и затвердевание первоначально заполняющей жидкости может быть предотвращено, так чтобы создание твердых частиц, имеющих большие размеры частиц, которые иначе были бы созданы посредством затвердевания жидкости, сохраняемой в контейнере, может быть предотвращено, посредством этого возможно производить шугу, в которой содержатся твердые микрочастицы, имеющие равномерные размеры частиц.
Далее, предпочтительно, чтобы вакуумирующий газ охлаждался после сжатия с тем, чтобы он конденсировался и повторно сжижался, и повторно сжиженная жидкость подавалась в средство для подачи жидкости для циркуляции.
Далее, также предпочтительно, чтобы вакуумирущий газ, имеющий низкое давление и низкую температуру, сжимался посредством компрессора после нагревания посредством теплообменника с тем, чтобы создавать газ высокого давления и средней температуры, причем газ, имеющий более низкое давление и среднюю температуру, затем охлаждается посредством теплообмена с вышеупомянутым газом, имеющим низкое давление и низкую температуру в теплообменнике, и жидкость, сконденсированная и повторно сжиженная посредством охлаждения, подается в средство для подачи жидкости для циркуляции. Следует отметить, что средняя температура означает температуру вблизи обычной температуры и предпочтительно обычную температуру.
С точки зрения вышеупомянутых изобретений, количество газа, выпускаемого наружу, может быть ограничено до минимальной величины посредством конденсации и повторного сжижения газа для циркуляции, посредством этого возможно эффективно использовать газ. Далее, при использовании компрессора вместо насоса на сбросе давления, может быть выполнена передача с высокой степенью точности. Далее, при конфигурации, когда теплообмен между газом, имеющим низкое давление и низкую температуру, и газом, имеющим высокое давление и среднюю температуру, выполняется в теплообменнике, возможно, повысить тепловой КПД. Далее, поскольку газ, введенный в компрессор, однажды нагревается перед его введением, возникновение дефекта в устройстве в связи с условиями низкой температуры может быть предотвращено настолько, насколько это возможно, и далее, поскольку не требуется предусмотреть привод, отличный от вспомогательного охлаждающего оборудования в части с криогенной температурой, возможно снизить стоимость оборудования.
Кроме того, в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, газовая примесь удаляется из вакуумирующего газа.
Таким образом, концентрация примесей в установке может поддерживаться при чрезвычайно низкой величине, и дефекта, вызываемого смешанными примесями, можно избежать, даже хотя произведенная шуга используется в холодильной установке или тому подобном, посредством этого возможно предусмотреть холодильную установку с высокой степенью эффективности и высокой степенью надежности.
Далее, устройство согласно настоящему изобретению для производства шуги, в которой жидкие и твердые частицы смешиваются вместе, включает адиабатический контейнер, который первоначально заполняется жидкостью, средство для сброса давления для вакуумирования внутренней части адиабатического контейнера до давления в тройной точке жидкости, средство для подачи жидкости для распыления жидкости в виде микрочастиц в газовую фазу вакуумированного адиабатического контейнера и средство для перемешивания для того, чтобы перемешивать смесь первоначально заполняющей жидкости и твердых частиц, созданных посредством затвердевания распыляемой жидкости благодаря ее скрытой теплоте парообразования.
В этом случае предпочтительно обеспечить теплоизоляционный материал для разделения газ-жидкость для предотвращения испарения или затвердевания жидкости на поверхности жидкости, первоначально заполняющей адиабатический контейнер.
Далее, предпочтительно предусмотреть теплообменник для нагревания газа, имеющего низкое давление и низкую температуру, который производится посредством вакуумирования адиабатического контейнера средством для сброса давления, и компрессор для сжатия нагретого газа с тем, чтобы получить газ, имеющий высокое давление и среднюю температуру, причем газ, имеющий высокое давление и среднюю температуру, находится в теплообмене с газом, имеющим низкое давление и низкую температуру, в теплообменнике с тем, чтобы он охлаждался, посредством этого образуя циркуляционную линию для циркуляции жидкости, сконденсированной и сжиженной посредством охлаждения, в средство для подачи жидкости.
Далее, вспомогательное средство охлаждения для охлаждения газа, имеющего высокое давление и среднюю температуру, может быть предусмотрено в дополнение к вышеупомянутому теплообменнику.
Далее, предпочтительно, чтобы было предусмотрено средство для удаления газовой примеси для того, чтобы удалять газовую примесь из вакуумирующего газа.
Далее, изобретение может быть сконструировано так, чтобы иметь двойную конструкцию, в которой внутренний контейнер размещен в адиабатическом контейнере, причем внутренний контейнер имеет возможность перемещения по вертикали относительно адиабатического контейнера, и в его нижней части установлен соединительный вентиль для жидкости. Согласно изобретению, когда создаются твердые частицы, внутренний контейнер поднимается, так чтобы по существу никакой жидкости не находилось во внутреннем контейнере, и затем соединительный вентиль для жидкости закрывается. Соединительный вентиль для жидкости открывается после того, как созданные твердые частицы сохраняются во внутреннем контейнере в заранее заданном количестве, в то время как внутренний контейнер опускается для того, чтобы смешивать жидкость, первоначально заполняющую адиабатический контейнер, с созданными твердыми частицами для производства шуги, и внутренний контейнер поднимается снова с тем, чтобы переместить шугу внутрь адиабатического контейнера через соединительный вентиль для жидкости, для того, чтобы повысить давление и переместить указанную шугу. Следовательно, возможно обеспечить разделение газ-жидкость в течение повышения давления в адиабатическом контейнере.
Далее, в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, оно выполнено так, чтобы иметь двойную конструкцию, в которой внутренний контейнер размещен в адиабатическом контейнере, причем внутренний контейнер имеет возможность перемещения по вертикали относительно адиабатического контейнера и снабжен в его нижней части соединительным вентилем для жидкости и также снабжен мешалкой. Согласно изобретению, во время создания твердых частиц внутренний контейнер опускается, и соединительный вентиль для жидкости закрывается при условии, что первоначально заполняющая жидкость присутствует во внутреннем контейнере. Далее, теплоизоляционный материал для разделения газ-жидкость предусмотрен на поверхности жидкости, причем созданные твердые частицы и жидкость перемешиваются и смешиваются вместе с тем, чтобы производить шугу, и соединительный вентиль для жидкости открывается, когда концентрация шуги достигает заранее заданной величины, в то время как внутренний контейнер поднимается, с тем, чтобы переместить шугу в адиабатический контейнер, для того, чтобы переместить шугу в состояние с повышенным давлением. При этой конфигурации разделение газ-жидкость может быть обеспечено, в то время как давление во внутренней части адиабатического контейнера повышается, и далее может быть предотвращено прилипание твердых частиц между собой.
Преимущества изобретения
Как установлено выше, в соответствии с настоящим изобретением возможно производить шугу, имеющую микрочастицы равномерных размеров при простой конфигурации. Далее, при такой конфигурации, когда вакуумирующий газ повторно сжижается с тем, чтобы использовать его в циркуляции, степень выпуска газа ограничивается до минимальной величины для того, чтобы обеспечить его эффективное использование. Далее, посредством обеспечения средства для удаления газовой примеси в циркуляционной установке концентрация примесей в циркуляционной установке может поддерживаться при низкой величине. Далее, возникновения дефекта, вызываемого перемешиванием с примесями, можно избежать даже несмотря на то, что произведенная шуга используется в системе охлаждения или тому подобного, посредством этого возможно обеспечить установку с высокой степенью эффективности и высокой степенью надежности. Далее, благодаря такой конфигурации, когда теплоизоляционный материал для разделения газ-жидкость предусмотрен в адиабатическом контейнере, возможно предотвратить испарение или затвердевание первоначально заполняющей жидкости.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид, иллюстрирующий общую конфигурацию устройства для производства азотной шуги согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий конфигурацию другого производственного резервуара, согласно второму варианту осуществления, вмонтированного в устройство для производства азотной шуги, показанное на фиг.1;
Фиг.3 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий конфигурацию другого производственного резервуара, согласно третьему варианту осуществления, вмонтированного в устройство для производства азотной шуги, показанное на фиг.1.
Объяснение номеров ссылок:
1… Резервуар для производства азотной шуги (адиабатический контейнер)
3… Мешалка
6… Лопасть мешалки
8… Теплоизоляционный материал для разделения газ-жидкость
9… Сепаратор газ-жидкость
10… Сопло для подачи жидкого азота
11… Вакуумный выпускной трубопровод
12… Трубопровод для регулирования повышенного давления
13а, 13b… Теплообменник
15… Компрессор
16, 18… Теплообменник
17… Вспомогательный рефрижератор типа холодильника
19… Трубопровод для подачи жидкого азота (вакуумный теплоизолированный трубопровод)
20, 21… Оборудование для удаления примеси
34… Буферный резервуар
40, 44… Внутренний контейнер для разделения газ-жидкость
41, 42… Уплотнение
43… Соединительный вентиль для жидкости
50… Жидкий азот
51… Твердый азот
Наилучший способ осуществления изобретения
Подробное объяснение будет сделано для предпочтительных служащих примером вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Следует отметить, что размеры, материалы, формы и также элементы, описанные в этих вариантах осуществления, являются только примерами и, соответственно, не должны быть предназначены, чтобы технический объем настоящего изобретения был ограничен ими, если не определено иначе.
Эти варианты осуществления относятся к способу производства шуги как жидкости, подобной шербету, в которой жидкость и микрочастицы смешиваются вместе, и к устройству для этого, и, например, азот, кислород, водород или гелий используются и могут служить примерами в виде жидкости, динамического льда, азотной шуги или водородной шуги. Далее, способ и устройство для производства азотной шуги будут описаны в качестве примера, однако они не должны быть ограничены азотной шугой.
Вариант осуществления 1
Как показано на фиг.1, устройство для производства жидкой шуги согласно этому варианту осуществления состоит из установки для производства азотной шуги, включающей вакуумный производственный резервуар 1 с теплоизоляцией для азотной шуги, установку для циркуляции азота для сжижения газообразного азота, вакуумируемого из производственного резервуара 1, затем возвращаемого обратно в производственный резервуар 1.
В этой установке для производства азотной шуги твердый азот 51 создается из жидкого азота 50 в производственном резервуаре 1, и жидкий азот 50 смешивается с первоначально заполняющей жидкостью в производственном резервуаре 1, так чтобы производить азотную шугу.
В конкретной форме производственного резервуара 1 множество дисков-перегородок 2 штабелировано слоями и закреплено в верхней части производственного резервуара 1, и мешалка 3 вставлена в производственный резервуар 1 вдоль центральной оси резервуара. Мешалка 3 состоит из перемешивающих лопастей 6, предусмотренных в нижней концевой части вала 4, который соединен с двигателем. Перемешивающие лопасти 6 расположены так, чтобы перемешивать азотную шугу, находящуюся в нижней части производственного резервуара 1. Далее, производственный резервуар 1 снабжен в его части с газовой фазой сепаратором 9 газ-жидкость, через который только газ, присутствующий в части с газовой фазой, выпускается наружу. Далее, в производственный резервуар 1 встроен вакуумный выпускной трубопровод 11 для выпускаемого наружу газа, отделенного посредством сепаратора 9 газ-жидкость. В производственном резервуаре 1 выполнено в его нижней части с азотной шугой выходное отверстие 1а для выпуска азотной шуги, произведенной в производственном резервуаре 1.
Производственный резервуар 1 снабжен в его части с газовой фазой соплом 10 для подачи жидкого азота для распыления жидкого азота в виде микрочастиц. Сопло 10 для подачи жидкого азота соединено с трубопроводом 19 для подачи жидкого азота, проходящем от установки для циркуляции азота. Пространство в верхней части производственного резервуара, включая диски-перегородки 2, изолировано посредством теплоизоляционного материала 7, через который проникает газ. Изолированная верхняя часть производственного резервуара 1 снабжена трубопроводом 12 для повышения давления и регулирования давления в производственном резервуаре 1.
Установка для циркуляции повторно сжимает газообразный азот, выпускаемый из производственного резервуара 1 через вакуумный выпускной трубопровод 11, посредством компрессора 15, и затем газообразный азот конденсируется и повторно сжижается и циркулирует в производственный резервуар 1 в виде жидкого азота через трубопровод 19 для подачи жидкого азота.
Вакуумный выпускной трубопровод 11 снабжен теплообменниками 13а, 13b для нагревания выпускаемого азота вплоть до обычной температуры посредством теплообмена, и также снабжен компрессором 15, в который подводится нагретый газ, имеющий низкое давление и обычную температуру. Давление газообразного азота повышается посредством компрессора 15 так, чтобы он превратился в газ, имеющий высокое давление и обычную температуру, и он снова вводится в теплообменники 13b, 13а, с тем, чтобы охлаждаться посредством теплообмена с газообразным азотом из вакуумного выпускного трубопровода 11, для того чтобы создавать газ, имеющий низкую температуру и высокое давление. Далее, он снабжен теплообменником 16, в который вводится газ, имеющий низкую температуру и высокое давление. Вспомогательный рефрижератор 17 типа холодильника предусмотрен для теплообменника 16. В теплообменнике 16 газ, имеющий низкую температуру и высокое давление, конденсируется и сжижается, с тем, чтобы превратиться в жидкий азот. Может быть предусмотрен теплообменник 18 для охлаждения азотной шуги в производственном резервуаре 1 посредством охлажденного жидкого азота ниже по потоку теплообменника 16. Жидкий азот, сжиженный в теплообменнике 16, подается в сопло 10 для подачи жидкого азота в производственный резервуар 1 посредством трубопровода 19 для подачи жидкого азота.
Далее, предусмотрено средство 20 для удаления газовой примеси, для того чтобы удалить газовую примесь из газообразного азота на стороне выхода из компрессора 15. Подобным образом средство 21 для удаления газовой примеси низкой температуры также предусмотрено между теплообменником 13b и теплообменником 13а ниже по потоку компрессора 15. Может быть предусмотрено только одно средство 21 для удаления газовой примеси, но множество средств 21 для удаления газовой примеси может также быть предусмотрено. Далее, местоположения, где они расположены, не должны быть специально ограничены.
Далее, предпочтительно предусмотрен буферный резервуар 34 для временного сохранения газообразного азота, прошедшего через вакуумный выпускной трубопровод, соединенный параллельно с компрессором 15. Далее, может быть предусмотрен байпасный трубопровод 14 для того, чтобы заставлять газообразный азот, прошедший через вакуумный выпускной трубопровод 11, обходить байпасом компрессор 15 и буферный резервуар 34, с тем, чтобы его подавать в теплообменник 13b.
Далее, предусмотрены манометр 23 производственного резервуара для измерения давления в производственном резервуаре 1 и регулирующий вентиль 24 повышенного давления для управления давлением в резервуаре в соответствии с давлением в резервуаре, измеренным манометром 23.
Далее, расходомер 25 выпускаемого газа и регулирующий вентиль 26 давления производственного резервуара предусмотрены в вакуумном трубопроводе 11 между теплообменником 13b и компрессором 15, и манометр 27 на стороне низкого давления также предусмотрен здесь. Далее, предусмотрены регулирующий вентиль 28 величины низкого давления для регулирования количества газа, проходящего в буферный резервуар 34, в соответствии с давлением газообразного азота, измеренным посредством манометра 27 на стороне низкого давления, и регулирующий вентиль 29 байпаса для регулирования количества газа, проходящего через байпасный трубопровод 14.
Далее, предусмотрен манометр 30 на стороне высокого давления для измерения давления газообразного азота, проходящего через компрессор 15, буферный резервуар 34 или байпасный трубопровод 14 и регулирующий вентиль 31 высокого давления для управления количеством газа, перемещенного из буферного резервуара 34, в соответствии с давлением газообразного азота, измеренным посредством манометра 30. Далее, предусмотрены расходомер 32 подаваемого газа для измерения расхода газа, имеющего высокое давление и обычную температуру, который проходит ниже по потоку регулирующего вентиля 31 высокого давления, прежде чем он вводится в регулирующий вентиль 31b теплообменника, и регулирующий вентиль 33 расхода подаваемого газа для управления расходом газа, в соответствии с расходом, измеренным посредством расходомера 32.
Затем будет сделано объяснение работы устройства для производства шуги, имеющего вышеупомянутую конфигурацию.
Газообразный азот, который был вакуумирован из производственного резервуара 1 посредством компрессора 15, проходит через сепаратор 9 газ-жидкость и теплообменники 13а, 13b посредством вакуумного выпускного трубопровода 11 и поэтому нагревается до обычной температуры, чтобы вводиться в компрессор 15 как газ, имеющий более низкое давление и обычную температуру. Газ, давление которого было повышено в компрессоре 15, вводится в средство 20 для удаления газовой примеси для того чтобы удалять из него пар и газовую примесь, и снова вводится в теплообменники 13b, 13а, в которых газ охлаждается для превращения в газ, имеющий высокое давление и низкую температуру. На этой ступени пар и газовая примесь снова удаляются в средство 21 для удаления газовой примеси при более низкой температуре, и соответственно, газ очищается до газообразного азота высокой чистоты. После этого газ охлаждается и конденсируется в теплообменнике 16 вплоть до приблизительно 63 К, что представляет собой точку замерзания азота и, соответственно, сжижается и транспортируется через трубопровод 19 для подачи жидкого азота в сопло 10 для подачи жидкого азота, из которого жидкий азот распыляется в производственный резервуар 1 в виде мелких капелек, подобных частицам. В это время жидкий азот 50, имеющий температуру насыщения, заранее первоначально заполнил производственный резервуар.
В вышеупомянутом цикле количество газа, всасываемого из сепаратора 9 газ-жидкость, и количество жидкости из жидкого азота, распыляемого из сопла 10 для подачи жидкого азота, устанавливаются равными друг другу (с точки зрения массовой конверсии), с тем, чтобы уравновесить теплотворную способность для создания твердого азота 51 в производственном контейнере 1 с теплотворной способностью, которая уносится охлаждающей водой в компрессор 15, посредством этого возможно значительно понизить нагрузку, действующую на вспомогательный рефрижератор 17 типа холодильника.
Жидкий азот 50, первоначально заполняющий производственный резервуар 1, либо подается снаружи, либо из буферного резервуара 34 в виде газообразного азота, который поэтому сжижается во вспомогательном рефрижераторе 17 типа холодильника перед тем, как он вводится в производственный резервуар 1 в таком состоянии, что его давление не ниже, чем тройная точка азота. Далее, избыток азота может собираться в буферном резервуаре 34.
Жидкий азот, имеющий температуру 63 К и размер частиц, например, 1 мм, и распыляемый из сопла 10 для подачи жидкости, затвердевает посредством отвода из него скрытой теплоты парообразования, с тем, чтобы превратиться в твердый азот 51 в виде микрочастиц, имеющих размер частиц приблизительно 0,9 мм. В то же время, если испарение возникает также с поверхности жидкого азота 50, первоначально заполняющего нижнюю часть производственного резервуара 1, будет создаваться твердый азот, имеющий большие размеры частиц. Таким образом, теплоизоляционный материал 8 для разделения газ-жидкость, имеющий плотность, меньшую, чем плотность жидкого азота 50, как, например, несколько маленьких шариков, изготовленных из полимерной смолы, укладываются для того, чтобы обеспечить возможность покрытия сверху поверхности жидкого азота материалом 8. Таким образом, испарение с поверхности жидкости подавляется, и соответственно, капельки, распыляемые из сопла 10 для подачи жидкого азота, преимущественно затвердевают и укладываются на теплоизоляционный материал 8 для разделения газ-жидкость. В это время мешалка 3 непрерывно или периодически работает для перемешивания жидкого азота 50 в производственном резервуаре 1. Вращение мешалки 3 вызывает вращение твердого азота 51 в виде микрочастиц, накапливающихся на верхней части теплоизоляционного материала 8 для разделения газ-жидкость, и соответственно, твердый азот 51 входит в жидкий азот 50. Далее, жидкий азот 50 и твердый азот 51 перемешиваются и смешиваются вместе посредством мешалки 3 и, соответственно, производится равномерная азотная шуга. В то же время предпочтительно измерять давление в производственном резервуаре 1 с использованием манометра 23 производственного резервуара для управления регулирующим давление вентилем 26 производственного резервуара, в соответствии с измеренным давлением, для того, чтобы соответственно регулировать давление в производственном резервуаре 1. Далее, количество распыления соплом 10 для подачи жидкого азота регулируется посредством регулирующего вентиля 33 расхода подаваемого газа, и соответственно, возможно устанавливать по выбору производительность.
Когда массовая плотность твердого вещества в производственном резервуаре 1 доходит до определенной величины, оба вышеупомянутых вентиля 26, 33 закрываются, и газообразный азот подается в производственный резервуар 1 из создающего повышенное давление регулирующего вентиля 24. В то же время, поскольку теплоизоляционный материал 8 для разделения газ-жидкость предотвращает контакт азотной шуги, имеющей низкую температуру с газом повышенного давления, сжижение подаваемого газа предотвращается, так что давление в производственном резервуаре 1 может быть повышено. Когда давление достигает заданной величины, азотная шуга выходит из выходного отверстия 1а и затем перемещается к желаемому назначению для использования. Когда производственный резервуар 1 становится пустым, жидкий азот 50 заполняет непосредственно производственный резервуар 1, либо газ сжижается во вспомогательном рефрижераторе 17 типа холодильника и затем подается в производственный резервуар 1. Далее, вакуумирование начинается снова, и соответственно, температура жидкости понижается до ее тройной точки.
Таким образом, в соответствии с этим вариантом осуществления, в связи с тем, что предусмотрены теплообменники 13а и 13b для теплообмена между газом, имеющим низкое давление и низкую температуру и вакуумирующим из производственного резервуара 1, и газом, имеющим высокое давление и обычную температуру, давление которого повышается посредством компрессора 15, тепловой КПД может быть повышен. Далее, в течение стационарной работы производительность вспомогательного рефрижератора типа холодильника может быть меньшей, либо такой рефрижератор не требуется. Далее, поскольку сохранение излишнего азота производится посредством буферного резервуара 34 в виде газа, никакого излишнего расхода холода не вызывается по сравнению с хранением жидкости. Далее, посредством обеспечения оборудования для удаления газовой примеси концентрация примесей может поддерживаться при чрезвычайно низкой величине, и соответственно, может быть произведена азотная шуга, имеющая высокую степень чистоты азота. Кроме того, посредством обеспечения соплом 10 для подачи жидкого азота для распыления жидкого азота в виде микрочастиц размерами частиц твердого азота можно управлять, посредством этого возможно производить азотную шугу, имеющую твердые микрочастицы, имеющие равномерные размеры частиц. Далее, в связи с перемещением шуги под высоким давлением возможно осуществлять перемещение с высокой степенью эффективности по сравнению с перемещением с использованием насоса. Далее, никакой привод, отличный от вспомогательного рефрижератора типа холодильника, не присутствует в части с низкой температурой, и соответственно, возникновение дефекта может быть ограничено до минимальной величины, и затраты на устройство могут быть понижены.
Вариант осуществления 2
На фиг.2 показан производственный резервуар 1 согласно второму варианту осуществления, который имеет конфигурацию, отличную от показанной на фиг.1. Этот вариант осуществления выполнен так, чтобы осуществлять разделение газ-жидкость в течение повышения давления в производственном резервуаре 1, показанном в первом варианте осуществления, более надежным способом.
Второй вариант осуществления имеет двойную конструкцию, состоящую из резервуара 1 для производства азотной шуги в форме вакуумного адиабатического резервуара и внутреннего контейнера 40 для разделения газ-жидкость, предусмотренного в производственном резервуаре 1. Внутренний контейнер 40 относится к вакуумному адиабатическому типу и предусмотрен в плавающем состоянии в жидком азоте 50, сохраняемом в производственном резервуаре 1 с возможностью перемещения по вертикали. Соответственно, жидкость обычно не присутствует во внутреннем контейнере 40. Внутренний контейнер 40 отделяется от производственного резервуара 1 с возможностью свободного перемещения благодаря его плавучести, и внутренняя часть и наружная часть контейнера уплотнены друг от друга в части с обычной температурой в его верхней части, то есть зазор между боковыми стенками производственного резервуара 1 и внутреннего контейнера 40 уплотнен посредством уплотнений 41. Далее, внутренний контейнер 40 снабжен в его нижней части соединительным вентилем 43 для жидкости, который является нормально закрытым. Далее, подобно первому варианту осуществления, производственный резервуар 1 (внутренний контейнер 40) снабжен в его части с газовой фазой соплом 10 для подачи жидкого азота, соединенным с трубопроводом 19 для подачи жидкого азота и сепаратором 9 газ-жидкость, соединенным с вакуумным выпускным трубопроводом 11, которые расположены так, чтобы избежать столкновения с адиабатическим контейнером 40. Далее, мешалка 3 предусмотрена вдоль центральной оси производственного резервуара 1, причем она имеет вал 5, проходящий через внутренний контейнер 40 и соединенный в его нижней концевой части с перемешивающими лопастями 6, которые размещены между производственным резервуаром 1 и внутренним контейнером 40. Часть с обычной температурой в верхней части вала 5 мешалки 3 уплотнена посредством уплотнений 42.
В этом варианте осуществления внутренний контейнер 40 плавает в первоначально заполняющем жидком азоте 50 после создания твердого азота 51, в то время как соединительный вентиль 43 для жидкости закрывается. По существу жидкий азот не присутствует во внутреннем контейнере 40 перед производством твердого азота. Благодаря вакуумированию из вакуумного выпускного трубопровода 11 во внутреннем контейнере происходит сброс давления посредством вакуумирования до величины не выше, чем давление в тройной точке азота, и после этого жидкий азот распыляется из сопла 10 для подачи жидкого азота в виде микрочастиц внутрь внутреннего контейнера 40. Распыляемый азот затвердевает, превращаясь в твердый азот 51 в виде микрочастиц, и сохраняется во внутреннем контейнере 40. Когда твердый азот 51 сохраняется до определенной степени, соединительный вентиль 36 для жидкости открывается, и одновременно внутренний контейнер 40 погружается посредством захвата его верхней части для того, чтобы обеспечить возможность жидкому азоту в производственном резервуаре 1 проходить во внутренний контейнер 40.
Когда весь твердый азот 51 во внутреннем контейнере 40 поступает в жидкий азот 50, внутренний контейнер 40 поднимается, в то время как соединительный вентиль 43 для жидкости открывается, и, соответственно, твердый азот 51 перемещается в производственный контейнер 1 вместе с жидким азотом, выходящим из него. При повторениях вышеупомянутых стадий до тех пор, пока твердый азот не дойдет до заранее определенного количества в производственном резервуаре 1, возможно производить азотную шугу с заранее определенной концентрацией в производственном контейнере 1. После перемещения произведенной азотной шуги соединительный вентиль 36 для жидкости закрывается после того как внутренний контейнер 40 поднимается, и давление во внутренней части производственного контейнера 1 повышается, причем вентиль 36 для подачи жидкости все еще закрыт. Альтернативно, давление азотной шуги повышается посредством нажатия на внутренний контейнер 40 по направлению вниз. Таким образом, азотная шуга может быть перемещена.
Следует отметить, что посредством охлаждения заранее жидкого азота 50 до его температуры замерзания во вспомогательном рефрижераторе 17 типа холодильника может быть выполнена более эффективная работа.
Таким образом, в этом варианте осуществления, разделение газ-жидкость во внутреннем контейнере 40 несомненно может быть выполнено.
Вариант осуществления 3
На фиг.3 показан производственный резервуар 1 согласно третьему варианту осуществления, который имеет конфигурацию, отличную от конфигурации по первому варианту осуществления. В этом третьем варианте осуществления поясняется конфигурация, которая может устранять риск, свойственный производственному резервуару 1, объясненный во втором варианте осуществления, когда при сохранении одного твердого азота 51 во внутреннем контейнере 40 твердые частицы азота будут прилипать друг к другу в зависимости от определенных условий работы.
Третий вариант осуществления относится к двойной конструкции, состоящей из производственного резервуара 1 для азотной шуги в форме вакуумного адиабатического контейнера и внутреннего контейнера 44 для разделения газ-жидкость, который предусмотрен в производственном контейнере 1. Внутренний контейнер 44 относится к вакуумному адиабатическому типу, отделен от производственного резервуара 1 и выполнен с возможностью перемещения по вертикали. Часть с обычной температурой, определенная в верхней части внутреннего контейнера 44, уплотнена изнутри и снаружи него посредством уплотнений 41. Далее, внутренний контейнер 44 снабжен в его нижней части соединительным вентилем 43 для жидкости, который является нормально закрытым. Далее, подобно первому варианту осуществления, фазовая часть в производственном резервуаре 1 (внутреннем контейнере 44) снабжена соплом 10 для подачи жидкого азота, соединенным с трубопроводом 19 для подачи жидкого азота и сепаратором 9 газ-жидкость, соединенным с вакуумным выпускным трубопроводом 11, которые расположены так, чтобы избежать столкновения с внутренним контейнером 44. Далее, мешалка 3 предусмотрена вдоль центральной оси производственного резервуара 1, причем она имеет вал 5, снабженный в его нижней концевой части перемешивающими лопастями 6, которые расположены в нижней части внутреннего контейнера 44.
В этом варианте осуществления после создания твердого азота 51, внутренний контейнер 44 размещается в самой нижней части производственного резервуара 1, в то время как вентиль 43 для подачи жидкости закрывается. Теплоизоляционный материал 8 для разделения газ-жидкость плавает так, чтобы вся поверхность жидкости жидкого азота была покрыта им, и, соответственно, первоначально заполняющий жидкий азот 50 и фазовая часть отделяются друг от друга посредством материала. В связи с вакуумированием из вакуумного выпускного трубопровода 11 во внутренней части контейнера 44 происходит сброс давления до давления в тройной точке азота, и после этого жидкий азот распыляется из сопла 10 для подачи жидкого азота в виде микрочастиц внутрь внутреннего контейнера 44. Распыляемый жидкий азот затвердевает благодаря скрытой теплоте парообразования, превращаясь в твердый азот 51, который затем падает на теплоизоляционный материал 8 для разделения газ-жидкость, с тем, чтобы накапливаться на нем. Поскольку теплоизоляционный материал 8 для разделения газ-жидкость вращается посредством мешалки 3, соответственно твердый азот на теплоизоляционном материале 8 для разделения газ-жидкость проходит через этот материал и затем входит в жидкий азот 50. Когда получается азотная шуга, имеющая заранее заданную концентрацию, внутренний контейнер 44 поднимается, в то время как соединительный вентиль 43 для жидкости открывается. Таким образом, азотная шуга, произведенная во внутреннем контейнере 44, проходит в пространство в производственном резервуаре 1, из которого внутренний контейнер 44 перемещается. Когда вся азотная шуга переходит в резервуар 1, перемещение вверх внутреннего контейнера 44 останавливается, в то время как соединительный вентиль 43 для жидкости закрывается. Посредством повышения давления во внутреннем контейнере 44 или нажатия не него вниз после этого, заранее заданное давление осуществляется с тем, чтобы перемещать азотную шугу.
Таким образом, в этом варианте осуществления, возможно предотвратить возникновение прилипания твердого азота, вызываемого посредством сохранения затвердевшего и созданного твердого азота 51, и также возможно производить азотную шугу, содержащую мелкие частицы, имеющие равномерный размер частиц.
Применение в промышленности
Согласно настоящему изобретению можно просто производить азотную шугу из различных веществ, включая азот, кислород, водород и гелий, и можно также производить шугу, содержащую мелкие твердые частицы, имеющие равномерный размер частиц. Таким образом, возможно использовать произведенную жидкую шугу для любой из различных целей, как, например, установка для регенерации льда, использующая генератор динамического льда, сверхпроводящее оборудование, использующее азотную шугу, или хранилище для водородного топлива и проводящие системы, использующие водородную шугу.