ХОЛОДИЛЬНАЯ МАШИНА
COOLING MACHINE

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к ожижению природного газа (ПГ), и может быть использовано на плавучих и на наземных промысловых установках сжижения ПГ.
Известна предварительная холодильная установка, установленная перед криогенным теплообменником, выполненная с возможностью подачи в ее испаритель пропана, с охлаждением ПГ до температуры -35°С за счет отведения теплоты пропаном, кипящим при температуре -42°С, при атмосферном давлении (см. US №3763658).
Недостаток данной установки - недостаточно низкая температура охлаждения ПГ перед его подачей в криогенный теплообменник и, соответственно, чрезмерно высокая тепловая нагрузка на него. Дальнейшее снижение температуры охлаждения ПГ в пропановой холодильной установке возможно только за счет снижения давления в испарителе и тем самым  снижения температуры кипения пропана. Однако этот режим проходит в испарителе при давлении ниже атмосферного, т.е. под вакуумом, что периодически приводит к проникновению атмосферного воздуха в испаритель и созданию в конечном счете взрывоопасной концентрации с пропаном.
2
Известна предварительная холодильная установка, установленная перед криогенным теплообменником, выполненная с возможностью подачи в ее испаритель углекислоты, с охлаждением ПГ до температуры -37°С за счет отведения теплоты двуокисью углерода (СО), кипящей при температуре -40°С, при атмосферном давлении (см. СА №2701981).
Недостаток данного устройства - недостаточно низкая температура охлаждения ПГ перед его подачей в криогенный теплообменник и, соответственно, чрезмерно высокая тепловая нагрузка на него.
2
Обычно эксплуатационный предел понижения температуры кипения хладагента в испарителе холодильной установки определяется величиной давления, которое не должно быть ниже атмосферного, как это сообщалось выше, применительно к пропану. Причина невозможности снижения температуры кипения СО ниже -50°С заключается в том, что при температуре -56,6°С она отвердевает в координатах, так называемой тройной инвариантной точки, при этом давление в тройной точке является избыточным и составляет 5,18 бар. По этой причине лимитирующим эксплуатационным параметром работы испарителя углекислотной холодильной установки является температура кипения, предельно допустимая величина которой обычно определяется величиной -40…-50°С. Понижая давление кипения, за счет повышения производительности компрессора, при попытке снизить температуру кипения хладагента ниже -50°С, можно войти в область его отвердевания по причине пульсаций давления кипения в испарителе, вызванных нестабильностью гидравлического режима движения парожидкостной смеси хладагента в каналах испарителя.
Известна также холодильная машина, содержащая компрессор, вход которого сообщен с паровой зоной циркуляционного ресивера, а выход через линию, включающую конденсатор и дроссель, сообщен с жидкостной зоной циркуляционного ресивера, которая через циркуляционный насос сообщена со входом испарителя, выход которого сообщен с циркуляционным ресивером (см. http://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=
8&ved=0CB0QFjAA&url=http%3A%2F%2Fhepunx.rl.ac.uk%2Fuknf%2Fwp3%2Fhidden%
2Fgoran%2Fbnct_lit%2Fbin_ice%2FTHE_CUREENT_TRENDS.pdf&ei=
qUQnVbGBOoWosgGykYAg&usg=AFQjCNGjsFElkFGQew6ix8N6Wwh0JzKZdw&sig2=
LOyIX8E40sKw8Ct2wiplEg]).
Недостаток холодильной машины - невозможность ее использования для охлаждения ПГ до -50°С перед его подачей в криогенный теплообменник, т.к. исключается возможность подачи через испаритель льдосодержащей суспензии в связи с опасностью заштыбовывания льдом сечения каналов испарителя, предназначенных для прохода рабочего тела.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в обеспечении возможности охлаждения ПГ до -50°С перед его подачей в криогенный теплообменник.
2
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности охлаждения ПГ до -50°С перед его подачей в криогенный теплообменник (что позволяет в свою очередь снизить массогабаритные показатели криогенного теплообменника или, при равных габаритах увеличить ее холодопроизводительность), причем за счет аккумуляции энергии холода в испарительной системе углекислотной установки предварительного охлаждения ПГ, дополнительно увеличивается ее холодопроизводительность, что позволяет использовать компрессор меньшей производительности, кроме того, повышается интенсивность теплообмена в испарителе углекислотной холодильной установки или, соответственно, улучшаются его массогабаритные показатели за счет конверсии однофазного хладагента (жидкой CO) в двухфазную дисперсную систему «жидкость - лед» (льдосодержащую суспензию). Кроме того, исключается заштыбовывание льдом сечения каналов испарителя, предназначенных для прохода рабочего тела.
2
2
Для решения поставленной задачи холодильная машина, содержащая компрессор, вход которого сообщен с паровой зоной циркуляционного ресивера, а выход через линию, включающую конденсатор и дроссель, сообщен с жидкостной зоной циркуляционного ресивера, которая через циркуляционный насос сообщена со входом испарителя, выход которого сообщен с циркуляционным ресивером, отличается тем, что в качестве рабочего тела холодильной машины использована льдосодержащая суспензия СО, причем испаритель выполнен с возможностью поддержания термодинамических условий, соответствующих парообразованию двуокиси углерода в координатах тройной точки, при этом дно циркуляционного ресивера выполнено с наклоном, превышающим угол, обеспечивающий «сползание» частиц льда, причем циркуляционный насос сообщен с нижней точкой дна циркуляционного ресивера, при этом на подающей линии, соединяющей выход циркуляционного насоса и вход испарителя, установлен первый запорный вентиль, причем участок подающей линии между циркуляционным насосом и первым запорным вентилем сообщен с циркуляционным ресивером рециркуляционной линией, снабженной вторым запорным вентилем, кроме того, содержание льда CO в льдосодержащей суспензии не превышает 45% от ее объема, кроме того, вход теплоотдающего контура испарителя сообщен с трубопроводом подачи ПГ, а его выход сообщен со входом криогенного теплообменника.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
2
2
2
Признаки, указывающие, что «в качестве рабочего тела машины использована льдосодержащая суспензия CO», обеспечивают ситуацию, когда удельная холодопроизводительность суспензии CO в испарителе будет превышать холодопроизводительность жидкой CO на величину теплоты плавления ее частиц льда. Известно, что интенсивность теплообмена в теплообменных аппаратах, при использовании в них в качестве хладоносителей дисперсных 2-фазных систем, повышается по сравнению с использованием однофазных (P. Pronk, at al. MAXIMUM TEMPERATURE DIFFERENCE WITHOUT ICE-SCALING IN SCRAPED SURFACE CRYSTALLIZERS DURING EUTECTIC FREEZE CRYSTALLIZATION. Delft University of Technology, The Netherlands. 2006; L. Lin, L. Elston. Ice Slurry Thermal Energy Storage System. 10th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference. 2010, Chicago, Illinois, USA).
2
Признаки, указывающие, что «испаритель выполнен с возможностью поддержания термодинамических условий, соответствующих парообразованию двуокиси углерода в координатах тройной точки», обеспечивают температуру кипения CO - 56,6°С, тем самым позволяют повысить холодопроизводительность холодильной установки и степень предварительного охлаждения ПГ.
2
Признаки, указывающие, что «дно циркуляционного ресивера выполнено с наклоном, превышающим угол, обеспечивающий «сползание» частиц льда», обеспечивают накапливание с высокой плотностью частиц льда CO в нижней части ресивера, под действием силы тяжести.
2
Признак, указывающий, что «циркуляционный насос сообщен с нижней точкой дна циркуляционного ресивера», обеспечивает отбор рабочего тела из зоны, где осуществляется концентрирование частиц льда CO и тем самым их высокое содержание в рабочем теле в рамках эффективной их концентрации и тем самым повышение холодопроизводительности установки.
Признаки, указывающие, что «на подающей линии, соединяющей выход циркуляционного насоса и вход испарителя, установлен первый запорный вентиль» ,обеспечивают, при необходимости, отключение испарителя из работы и/или регулирование расхода рабочего тела через него.
Признаки, указывающие, что «участок подающей линии между циркуляционным насосом и первым запорным вентилем сообщен с циркуляционным ресивером рециркуляционной линией, снабженной вторым запорным вентилем», обеспечивают, при прекращении или снижении объемов прокачки охлаждаемого ПГ соответственно, прекращение или снижение объема прокачки рабочего тела через испаритель, обеспечивая его циркуляцию через циркуляционный ресивер.
2
Одновременно это позволяет аккумулировать в ресивере запас холода за счет формирования в ресивере рабочего тела в виде льдосодержащей суспензии из жидкого CO и его льда.
2
Признак, указывающий, что «содержание льда CO в льдосодержащей суспензии не превышает 45% от ее объема», обеспечивает сохранение высокой подвижности рабочего тела и его беспрепятственную прокачку через каналы испарителя, предназначенные для прохода рабочего тела.
Признаки, указывающие, что «вход теплоотдающего контура испарителя сообщен с трубопроводом подачи ПГ, а его выход сообщен со входом криогенного теплообменника», обеспечивают возможность отбора тепла из ПГ и его охлаждение до -50°С перед подачей в криогенный теплообменник.
2
2
Таким образом, процесс отвердевания жидкой CO в циркуляционном ресивере будет представлять собой аккумуляцию энергии холода, что крайне актуально потому, что дебет продуктивных скважин существенно варьирует во времени. При использовании 2-фазной дисперсной системы жидкость - лед, в качестве хладагента, можно подбирать компрессор не по пиковым нагрузкам дебета ПГ, а по средним, что снизит капитальные затраты, при этом температура кипения будет величиной не только постоянной, но и предельно низкой (-57°С), что позволит снизить температуру выхода ПГ из испарителя CO и, соответственно, температуру его подачи в криогенный теплообменник до предельно низкой величины (-50°С). При этом важно, что применяется в качестве хладагента не взрывопожароопасное рабочее тело (известно, что в 1988 году на платформе в Северном море из-за утечки хладагента углеводородного происхождения произошел взрыв, что привело к гибели 167 человек и разрушению платформы).
Изобретение поясняется чертежом, где приведена схема установки. На чертеже показаны компрессор 1, конденсатор 2, дроссель 3, испаритель 4, циркуляционный ресивер 5, циркуляционный насос 6, подающая линия 7, линия рециркуляции хладагента 8, первый 9 и второй 10 запорные вентили, дно 11 ресивера 5, линия 12 прокачки ПГ, вход 13 криогенного теплообменника 14.
При этом вход компрессора 1 сообщен с паровой зоной циркуляционного ресивера 5 (расположенной в его верхней части, выше уровня жидкого хладагента), а его выход через линию, включающую конденсатор 2 и дроссель 3, сообщен с жидкостной зоной циркуляционного ресивера 5, которая через циркуляционный насос 6 сообщена со входом испарителя 4, выход которого сообщен с циркуляционным ресивером 5 (с его паровой зоной). Причем дно 11 ресивера 5 выполнено с наклоном, превышающим угол, обеспечивающий «сползание» по нему частиц льда, например, коническим или пирамидальным. При этом циркуляционный насос 6 сообщен с нижней точкой дна 11. Кроме того, на подающей линии 7, соединяющей выход циркуляционного насоса 6 и вход испарителя 4, установлен первый запорный вентиль 9, причем участок подающей линии между циркуляционным насосом 6 и первым запорным вентилем 9 сообщен с циркуляционным ресивером 5 линией рециркуляции 8, снабженной вторым запорным вентилем 10.
Теплота парообразования двуокиси углерода в координатах тройной точки (-56,6°С; 5,18 бар) равна 348 кДж/кг, льдообразования - 196 кДж/кг, в результате чего при парообразовании 1 кг жидкой двуокиси углерода в резервуаре, в котором проходит данный процесс, образуется 1,8 кг ее льда.
Характерно, что в генераторах твердой фазы, работающих по описанной схеме, не наблюдается образования льда на теплообменной поверхности, потому что теплообменной поверхности, в привычном понимании, не существует. При объемной кристаллизации жидкости, за счет ее адиабатного парообразования в координатах тройной точки, возникает межфазный энергообмен, который за счет огромной площади контакта фаз и интенсивности теплообмена между ними проходит при ничтожно малых температурных градиентах. Так, например, в установке получения водного льда компании «Carrier Corp» температурный градиент между кипящей морской водой и выделяющимся из нее льдом составлял 0,2°С.
Заявленная установка работает следующим образом.
Холодильную установку выводят на рабочий режим, формируя в циркуляционном ресивере 5 объем рабочего тела, обеспечивающий начало процесса предварительного охлаждение ПГ. При этом термодинамические параметры в испарителе 4 доводят до уровня, соответствующего координатам тройной точки (-56,6°С; 5,18 бар). При этом второй запорный вентиль 10 перекрыт, а первый запорный вентиль 9 открыт, что обеспечивает циркуляцию хладагента (рабочего тела) через испаритель 4 и циркуляционный ресивер 5.
2
2
2
2
2
В результате в кипящей CO будут образовываться мелкие частицы льда, т.е. процесс кипения жидкой CO в испарителе 4, в координатах тройной точки, идет с образованием ее льда. При этом лед образуется во всем объеме жидкости, кипящей в испарителе 4, т.к. центрами его образования и приемниками его тепловой энергии являются пузырьки пара CO, также зарождающиеся и растущие во всем объеме кипящей жидкости. Данное обстоятельство объясняет причину формирования льда в жидкой CO, кипящей в координатах тройной точки, в виде мелкодисперсной фазы суспензии, дисперсионной средой которой является кипящая жидкая CO.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3
3
Рабочее тело, включающее пары CO и суспензию, содержащую жидкую фазу CO и ее лед, выталкивается из испарителя 4 в циркуляционный ресивер 5. Здесь частицы льда, которые, обладая более высокой плотностью по сравнению с жидкостью, будут опускаться вниз (жидкая CO имеет плотность в тройной точке 1100 кг/м, а лед - 1560 кг/м), а пары CO будут накапливаться в паровой зоне циркуляционного ресивера 5. Далее пары CO отбираются компрессором 1, конденсируются в конденсаторе 2 и через дроссель 3 жидкая CO возвращается в циркуляционный ресивер 5. В ресивере 5, дно 11 которого выполнено с наклоном, идет накопление льдосодержащей суспензии CO. При этом частицы льда СО сползают по поверхности дна 11 ресивера 5 вниз (под действием силы тяжести) и попадают в приемное отверстие циркуляционного насоса 6 (на чертежах не показано), который работает постоянно. При этом цикл подачи рабочего тела (льдосодержащей суспензии СО) повторяется.
Таким образом обеспечивается охлаждение ПГ до -50°С перед его подачей на вход 13 криогенного теплообменника 14.
2
2
2
Как указывалось выше, интенсивность теплообмена в теплообменных аппаратах, при использовании в них в качестве хладоносителей дисперсных двухфазных систем, повышается по сравнению с использованием однофазных за счет повышения коэффициента теплопередачи при переходе с однофазной жидкой СО, как хладагента, на двухфазную дисперсную систему «жидкость - лед». При этом удельная холодопроизводительность суспензии CO в испарителе будет превышать холодопроизводительность жидкой CO на величину теплоты плавления ее льда, т.е. твердой фазы суспензии (теплота ее плавления составляет 196 кДж/кг).
Как показывают расчеты и сведения о практических результатах транспортирования двухфазных систем, транспортные свойства дисперсных двухфазных систем позволяют прокачивать их на существенное расстояние при содержании твердой фазы до 45%, поскольку при реально реализуемых в установке режимах движения рабочего тела на реологические свойства суспензии существенно влияют скорость движения и диаметр трубопровода, тогда как концентрация частиц дисперсной фазы в суспензии практически не влияет на них.
2
Таким образом, использование двухфазного хладагента позволит не только снизить тепловую нагрузку на криогенный теплообменник за счет предварительного снижения температуры ПГ на его входе до -50°С и, соответственно, позволит улучшить его массогабаритные показатели, а также снизить площадь теплообменной поверхности в испарителе углекислотной холодильной установки за счет повышения коэффициента его теплопередачи при переходе с однофазной жидкой СО как хладагента на двухфазную дисперсную систему «жидкость - лед». При этом производительность компрессора можно будет подбирать не по пиковым нагрузкам на испаритель, а по средним за счет аккумуляции в нем энергии холода, которая обусловлена кристаллизацией хладагента.
При отсутствии или снижении нагрузки на испаритель 4 второй запорный вентиль 10 открывают полностью или частично, а первый запорный вентиль 9 перекрывают полностью или частично, что в первом случае обеспечивает «замыкание» циркуляции хладагента только на циркуляционный ресивер 5, а во втором случае частично будет задействован и испаритель 4, объем прокачки хладагента через который будет уменьшен пропорционально снижению объема ПГ, прокачиваемого через него.
2
Таким образом, работа циркуляционного насоса 6 идет через линию рециркуляции хладагента 8 (сечение которой больше сечений холодопередающих каналов испарителя и не создает угрозы его «заштыбовки» частицами льда). Это позволяет предотвратить вероятность вывода испарителя 4 из строя (при отсутствии нагрузки на испаритель 4 частицы льда могут задерживаться на поверхности его холодопередающих каналов (трубок или пластин), тогда как при наличии тепловой нагрузки частицы льда СО будут непрерывно плавиться и, соответственно, не смогут удерживаться на теплообменной поверхности испарителя).
2
Характерно, что при снижении тепловой нагрузки на испаритель 4 или ее полном прекращении, из-за колебаний величины расхода через него ПГ, компрессор 1 холодильной установки будет продолжать работать в прежнем режиме, т.к. снижение давления в испарительной системе невозможно по причине того, что парообразование жидкой СО будет энергетически обеспечиваться за счет ее отвердевания в инвариантных координатах тройной точки.
2
2
Если перерыв подачи ПГ будет достаточно велик, то количество твердой фазы будет увеличиваться до полного отвердевания всей жидкости, после чего однофазная система, состоящая только из твердой СО, начнет сублимировать за счет своей внутренней энергии, понижая температуру и давление. При достижении атмосферного давления температура сублимации CO достигнет -78,5°С.
2
Таким образом, процесс отвердевания жидкой CO в циркуляционном ресивере 5 будет представлять собой аккумуляцию энергии холода в испарительной системе холодильной установки.
2
Аккумуляция энергии холода в испарительной системе промысловой установки сжижения ПГ крайне актуальна по причине того, что дебет продуктивных скважин существенно меняется во времени. При использовании двухфазной дисперсной системы жидкость - лед, в качестве хладагента, можно подбирать компрессор не по пиковым нагрузкам дебета ПГ, а по средним, что снизит капитальные затраты, при этом температура кипения будет величиной не только постоянной, но и предельно низкой (-57°С), что позволит снизить температуру выхода ПГ из испарителя CO и, соответственно, температуру его подачи в криогенный теплообменник до предельно низкой величины (-50°С).
2
2
2
2
После открытия соответствующей запорной арматуры суспензия с аккумулированной твердой фазой до предельных значений (45%) будет попадать в испаритель 4, где лед CO будет плавиться, а жидкость кипеть, если лед CO успеет полностью расплавиться до выхода из испарителя. При этом удельная холодопроизводительность суспензии CO в испарителе 4 будет превышать холодопроизводительность жидкой CO на величину теплоты плавления ее льда, т.е. на 196 кДж/кг.