Ожижитель водорода малой производительности
LOW-DUTY HYDROGEN LIQUEFIER

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к водородным ожижителям малой производительности.
Известна конструкция ожижителя, работающая в режиме сжижения и ретроградной конденсации паров водорода и предназначенная для ожижения небольших количеств водорода и неона (Butkevich I.K., Dobrov V.М. Hydrogen/neon liquefier with helium expander refrigeration cycle //Chemical and Petroleum Engineering. - 1969. - T. 5. - №. 3. - стр. 251-252). Гелий из компрессора поступает в ожижитель, где последовательно охлаждается в теплом теплообменнике, азотной ванне и холодном теплообменнике, после расширяется в детандере, снижая температуру до -253°С-263°С, и направляется в теплообменник-конденсатор, охлаждая сжимаемый газ, далее через теплообменник покидает установку и возвращается в компрессор. В свою очередь, сжиженный водород или неон поступает в ресивер Недостатком такого устройства является необходимость своевременного и регулярного технического обслуживания детандера, необходимость его энергообеспечения, чувствительность к процессам обледенения от возможного остаточного конденсата. Применение гелия в качестве промежуточного рабочего тела под относительно высоким давлением подразумевает необходимость применения более металлоемкой и дорогой запорно-регулирующей арматуры, и более прочных магистралей, что помимо увеличения их стоимости также сказывается на эффективности рабочих теплообменных процессов.
Известен способ получения жидкого параводорода (Патент 166373 Союз Советских Социалистических Республик, МПК F25J 1/02. Способ получения жидкого параводорода / А.Г. Зельдович, Ю.К. Пилипенко. - № 145251; заявл. 10.09.1962; опубл. 19.11.1964, Бюл. № 22), в котором сжатый водород охлаждается последовательно в теплообменнике теплой зоны, ванне жидкого азота, промежуточном теплообменнике, ванне жидкого азота, кипящего под вакуумом, теплообменнике холодной зоны, расширяется в детандере и дросселируется дросселем в ванную жидкого водорода. Предварительно водород проходит систему сжатия и очистки. Из теплообменника холодной зоны сжижаемый водород поступает в детандер, проходит змеевики и конвертор.
Недостаток данного изобретения заключается в наличии детандера и вращающихся деталей, снижающих надежность, ремонтопригодность и срок службы.
Наиболее близким из известных технических решений является водородно-ожижительная станция ВОС-3 (Рожков И.В. Получение жидкого водорода / И.В. Рожков, О.А. Алмазов, А.А. Ильинский - Москва: Издательство «Химия», 1967. - стр. 199), содержащая газгольдер, из которого чистый водород засасывается компрессором и сжимается до высокого давления, блок маслоотделения и ожижитель, в котором водород охлаждается в первом теплообменнике, ванне с жидким азотом, втором теплообменнике, после чего расширяется в дроссельном вентиле, ожижается и накапливается в сборнике. Жидкий азот попадает в азотную ванну из сосуда Дьюара, где кипит под низким давлением, создаваемым вакуум-насосом. Изоляционное пространство ожижителя заполнено мипорой и откачивается форвакуумным насосом.
Недостатком изобретения является необходимость производить ряд трудоемких операций по распайке трубок из-за того, что вывод сжиженного водорода и ввод обратного потока пара из конденсатора в теплообменник «холодной» зоны осуществляется через боковую стенку кожуха ожижителя.
Технический эффект, достигаемый предложенным ожижителем водорода, заключается в высокой надежности, долгосрочном ресурсе, облегченном техническом обслуживании и ремонте, обеспечиваемых эффективной компоновкой конструкции ожижителя водорода малой производительности и свободой термических деформаций внутренних узлов ожижителя от его корпуса. Непосредственный контакт змеевика с жидким азотом обуславливают повышение эффективности ожижителя водорода малой производительности и интенсификацию теплообмена и предварительного азотного охлаждения.
Данный технический эффект достигается в ожижителе водорода малой производительности, содержащем верхнюю крышку, соединенную с корпусом фланцем, предварительный теплообменник «теплой» зоны, выполненный из девяти медных трубок, спаянных между собой и свернутых в спираль, сборник жидкого водорода, вокруг которого концентрично расположен основной теплообменник «холодной» зоны, выполненный из четырех спаянных между собой медных трубок, свернутых в спираль, и ванна жидкого азота, согласно изобретению, предварительный теплообменник «теплой» зоны, сборник жидкого водорода, основной теплообменник «холодной» зоны, ванна жидкого азота, располагающиеся внутри корпуса, смонтированы на внутренней поверхности его крышки, а также сборник и медные трубки основного теплообменника «холодной» зоны расположены соосно кольцевой ванне с жидким азотом в пространстве, ограниченном ее внутренними стенками.
Суть изобретения поясняется на фигуре 1, где показано, что в состав ожижителя водорода входят:
1 - корпус;
2 - фланец;
3 - рама;
4 - трубки теплообменников;
5 - предварительный теплообменник «теплой» зоны;
6 - ванна жидкого азота;
7 - основной теплообменник «холодной» зоны;
8 - сборник жидкого водорода;
9 - змеевик азотной ванны;
10 - дроссельный вентиль;
11 - вакуумная изоляция.
Конструктивно ожижитель водорода содержит корпус 1 с закрепленным на нем фланцем 2, к которому крепится рама 3. На раме 3 установлены трубки 4, связка из девяти таких медных трубок образует предварительный теплообменник «теплой» зоны 5. После предварительного теплообменника «теплой» зоны 5 установлена ванна жидкого азота 6, в которую устанавливается состоящий из связки четырех медных трубок 4 основной теплообменник «холодной» зоны 7, в центре которого установлен сборник жидкого водорода 8. Во внутреннем объеме ванны жидкого азота 6 расположен змеевик ванны жидкого азота 9. В крышке сборника жидкого водорода 8 установлен дроссельный вентиль 10. Внутреннее пространство ожижителя водорода малой производительности защищено вакуумной изоляцией 11.
Работа ожижителя водорода малой производительности осуществляется следующим образом.
Сжатый водород охлаждается последовательно в предварительном теплообменнике «теплой» зоны 5, по одной трубке 4 которого проходит сжатый водород высокого давления, по трем трубкам 4 - обратный расширенный водород, и по пяти трубкам 4 - газообразный азот из ванны жидкого азота 6, далее в концентрично расположенных вокруг сборника жидкого водорода 8 ванне с жидким азотом 6 и основном теплообменнике «холодной» зоны 7, одна трубка 4 которого предназначена для сжатого водорода, а три трубки 4 - для обратного потока расширенного водорода. Далее водород расширяется в дроссельном вентиле 10, смонтированном на верхней крышке сборника жидкого водорода 8, в котором он накапливается, сжижаясь после дросселирования. Неожиженный расширенный водород через предварительный теплообменник «теплой» зоны 5 и основной теплообменник «холодной» зоны 7 выводятся из ожижителя. Внутреннее пространство ожижителя водорода малой производительности защищено вакуумной изоляцией 11.
Преимуществом приведенного ожижителя водорода малой производительности является конструктивное совершенство и надежность, обеспечиваемые облегченной разборкой и сборкой ожижителя водорода малой производительности за счет монтажа элементов конструкции к крышке корпуса, и высокая эффективность, обеспечивающаяся интенсифицированным теплообменом между змеевиком ванны жидкого азота и жидким азотом.
Таким образом, реализация данного изобретения приведет к высокой эффективности и технологичности ожижителя водорода малой производительности.