Спосіб роботи кріогенної установки для охолодження й зрідження потоку газу

Спосіб роботи кріогенної установки для охолодження й зрідження потоку газу, що використовує як кріоагент будь-який газ із температурою нормального кипіння нижче 100 К, наприклад азот, у якій кріоагент стискується в основному компресорі, потім послідовно охолоджується в кінцевому холодильнику зовнішнім повітрям або водою, у рекуперативному теплообміннику за рахунок холоду кріоагента, що розширюється в турбодетандері низького тиску, і в турбодетандері високого тиску, з якого охолоджений до більш низької температури кріоагент із проміжним тиском надходить у холодну частину основного рекуперативного теплообмінника, потім, проходячи через нього на U 2 (19) 1 3 зрідження потоку газу, обумовлені різною зміною властивостей газів в області низьких і високих тисків. Зниження ефективності застосування ДКА при підвищенні тиску в кріогенному циркуляційному контурі також обумовлене падінням коефіцієнта корисної дії турбодетандера ДКА через високий ступінь розширення кріоагента. Відомий спосіб підвищення ефективності розширення кріоагента, зокрема повітря, у циклах високого тиску (див. Герш СЯ. Глубокое охлаждение. Ч. 1. - М.: Госэнергоиздат, 1957. - 390с.), у якім для збільшення холодупродуктивності циклу застосовується двоступінчасте розширення повітря у двох послідовно розташованих детандерах. Даний відомий спосіб по технічній сутності найбільш близький заявленому корисної моделі, тобто може використовуватися в якості прототипу. Недолік цього способу - робота розширення повітря в детандерах корисно не використовується для збільшення їх холодупродуктивності. Даний недолік викликаний тим, що в зазначеному способі передбачалося використання поршневих детандерів. Однак, навіть взявши за основу запропоновану схему й замінивши поршневі детандери детандерами динамічної дії (турбодетандерами), механічно пов'язаними з турбокомпресорами, що дожимають повітря перед кожним турбодетандером, очікуваного результату досягтися не вдається. У такий спосіб проявляється другий недолік, обумовлений послідовним включенням щаблів стиску й розширення. Технічним завданням заявленого корисної моделі є збільшення холодупродуктивності ДКА кріогенних установок, призначених для охолодження й зрідження потоків газу, і, тим самим, скорочення питомого енергоспоживання в них. Поставлене технічне завдання вирішується за рахунок того, що в заявленому способі збільшення холодупродуктивності ДКА й, у цілому, кріогенної установки, досягається шляхом ефективного використання енергії розширення газу для підвищення його тиску перед розширенням. Для цього пропонується розширення газу здійснювати у двох турбодетандерах високого й низького тисків, а енергію розширення газу в обох щаблях застосовувати для дожимання газу в турбокомпресорі перед турбодетандером низького тиску. При так організованім розширенні газу і його стиску за рахунок роботи розширення забезпечується істотний відносний ріст холодупродуктивності ДКА в кріогенних установках з термодинамічними циклами, високого й середнього тисків, здатних з більш низькими витратами охолоджувати й зріджувати потоки газів. Схема кріогенної установки для охолодження й зрідження потоку газу зображена на кресленні. Зазначена кріогенна установка працює в такий спосіб. Потік кріоагента установки, наприклад, азоту, стискується в основному компресорі 2, привод якого здійснюється від двигуна 1, і потім охолоджується в кінцевому холодильнику 3. Подальше охолодження стислого потоку газу проводиться в рекуперативному теплообміннику 4. Далі охоло 56743 4 джений потік газу направляється на розширення в турбодетандер високого тиску 6 ДКА 10. Охолоджений у результаті розширення потік надходить в основний рекуперативний теплообмінник 5, де нагрівається за рахунок теплообміну з охолоджуваним (конденсованим) потоком якого-небудь газу, наприклад, природного газу. З основного теплообмінника кріоагент через рекуперативний теплообмінник 4 надходить на стиснення в турбокомпресор 9 ДКА 10. Стислий у турбокомпресорі кріоагент охолоджується в кінцевому холодильнику 8 і направляється на розширення в турбодетандер низького тиску 7 ДКА 10. Розширений у турбодетандері 7 кріоагент підігрівається в рекуперативному теплообміннику 4, охолоджуючи потік, що надходить у турбодетандер високого тиску 6, і направляється знову на стиснення в основний компресор 2. Цикл замкнувся. Температури і тиски в робочих крапках кріогенної установки, виконаної згідно з розглянутим способом збільшення холодупродуктивності, залежать від параметрів охолоджуваного потоку газу. У першу чергу - від необхідної температури охолодження й термодинамічних властивостей охолоджуваного газу. ДКА конструктивно створюється у вигляді одного агрегату, що поєднує турбодетандери низького й високого тисків з турбокомпресором. Турбокомпресор повинен мати, як мінімум, два щаблі стиску (два робочі колеса) через відносно високий розташовуваний ступінь підвищення тиску в ньому, а сам агрегат буде являти собою многовальну машину. Вали-шестірні в ній будуть розташовані на загальній шестірні. Для досягнення високої ефективності така конструкція виявляється більш вигідною, тому що в ній забезпечуються оптимальні швидкості обертання турбодетандерів і турбокомпресора ДКА, а також усуваються строгі обмеження на геометричні розміри, характерні для одновальних ДКА. Наведений вище приклад застосування способу збільшення холодупродуктивності кріогенної установки, що охолоджує й зріджує природний газ, указує на її універсальність. Область застосування схеми установки й способу підвищення холодупродуктивності турбодетандерів не обмежується установками охолодження й зрідження природного газу. Схема й спосіб роботи установки з успіхом можуть застосовуватися для підвищення ефективності будь-яких кріогенних зріджувальних установок різного призначення, а також рефрижераторів зі змінною температурою охолодження. Застосування способу підвищення холодупродуктивності турбодетандерів дозволить скоротити питоме енергоспоживання на виробіток низькотемпературного холоду в кріогенній установці охолодження й зрідження газу на 12-15% у порівнянні з аналогічним показником установки в якій застосовується ДКА звичайної конструкції. У підсумку, охолоджувач і зріджувач природного газу, створюваний на основі даної установки, буде мати питоме енергоспоживання при виробництві зрідженого природного газу на 15% нижче, чим у випадку використання установки-прототипу. 5 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 56743 6 Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601