Тепловий насос для зрідження кріогенних газів

Реферат: Винахід належить до газової промисловості та кріотехніки, а саме до теплонасосних установок кріогенного діапазону рівнів температур прийому і віддачі тепла, та може бути використаний у холодильних машинах, рефрижераторних і зріджувальних, а також регазифікаційних установках кріогенного рівня температур. Тепловий насос для зрідження кріогенних газів містить контур власного кріоагента, що включає перший компресор 1 з кінцевим холодильником 2, випарникконденсатор 3 для прийому тепла низького температурного потенціалу, конденсатор-випарник 4 для прийому тепла підвищеного температурного потенціалу, три регенеративних теплообмінники 5, 6, 7. Перший і другий теплообмінники 5 і 6, з'єднані паралельно, забезпечують прохолодження зріджуваного і власного кріооагентів, а третій теплообмінник 7 переохолодження зрідженого власного кріоагента високого тиску перед розширенням у дроселі 10. Пристрій включає контури конденсовного і випарного кріоагентів. Контур випарного кріоагента виконаний з послідовно з'єднаних з ємністю 11 висококиплячого зрідженого газу зворотних порожнин конденсатора-випарника 4 і першого теплообмінника 5, другого компресора 8 та ємності стисненого газу 9. Контур зріджуваного кріоагента включає другий компресор 12 з кінцевим холодильником 13, сполучений по входу з ємністю 14 зріджуваного кріоагента, а по виходу - через блок комплексного очищення 15 з додатковою третьою порожниною другого теплообмінника 6, сполученою з порожниною прямого потоку випарникаконденсатора 3, що по виходу через другий дросель 16 сполучена з ємністю низькокиплячого зрідженого газу 17. Використання винаходу дозволить розширити функціональні можливості роботи теплового насоса з відбором тепла на кріогенних рівнях температури. UA 100103 C2 (12) UA 100103 C2 UA 100103 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до газової промисловості та кріотехніки, а саме до теплонасосних установок кріогенного діапазону рівнів температур прийому і віддачі тепла, та може бути використаний у холодильних машинах, рефрижераторних і зріджувальних, а також регазифікаційних установках кріогенного рівня температур. Відомий тепловий насос (Пат. РФ № 2285872 F25B 30/02, 2006), що включає компресор, конденсатор, розширник, випарник і теплообмінник, перша порожнина якого на вході з'єднана з виходом випарника, а на виході -з компресором, а друга порожнина на вході з'єднана через триходовий регулюючий вентиль із контуром між конденсатором і розширником, а на виході - з контуром між триходовим регулюючим вентилем і дросельним розширником, при цьому між компресором і першою порожниною теплообмінника встановлений датчик температури, через контролер пов'язаний із триходовим регулюючим вентилем. Відомий пристрій не дозволяє реалізувати прийом і передачу тепла на рівні кріогенних температур навіть за умови подачі в конденсатор кріогенної рідини, оскільки пристрій функціонує лише з частковою регенерацією холоду відхідної пари. При цьому, відвід теплоти стискування не передбачений зовсім, а холодний газ із випарника постійно отеплюється в процесах стиску (тертя). Найбільш близьким за технічною суттю є тепловий насос (А. с. СРСР № 1642207, F25B1/00, 1991), який містить контур власного холодоагента (аміаку), що включає компресор з кінцевим холодильником, випарник (для прийому тепла низького температурного потенціалу), конденсатор (для прийому тепла підвищеного температурного потенціалу), дросель, три регенеративних теплообмінники, з яких, з'єднані паралельно перший і другий, зв'язані порожнинами прямого потоку по входу з кінцевим холодильником компресора, а по виходу - з порожниною прямого потоку конденсатора, порожнина зворотного потоку другого теплообмінника зв'язана із входом компресора, третій теплообмінник порожниною зворотного потоку зв'язаний із другим теплообмінником і порожниною прямого потоку по входу сполучений з порожниною прямого потоку конденсатора, а по виходу - із дроселем, пов'язаним з порожниною випарника. Вироблення холоду в тепловому насосі відомого виконання реалізовано за рахунок регульованої конденсації за зміною температури теплоносія, обумовленої реальними умовами циклу на режимах зміни (високого і низького) тисків холодильної установки. Продуктований холодильною машиною холод підвищеного температурного потенціалу недостатній для ефективного зрідження холодоагента з кріогенним рівнем температури критичної точки, оскільки не містить контуру регенерації холоду теплоносія з доведенням холодоагента до температур кріогенних рівнів. В основу винаходу поставлено задачу створення теплового насоса для зрідження кріогенних газів шляхом введення додаткових елементів і зв'язків між ними для реалізації в схемі теплового насоса триконтурної передачі тепла температур кріогенного рівня, контури якої функціонують на висококиплячому, низькокиплячому і проміжному кріоагентах з передачею тепла потенціалу кріогенного рівня температур на більш високий рівень кріогенних температур, за рахунок чого досягнуте розширення функціональних можливостей роботи теплового насоса з відбором тепла на кріогенних рівнях. У залежності від видів газів, використовуваних як висококиплячий, низькокиплячий і проміжний (власний) кріоагент, пристрій ефективно функціонує в широкому інтервалі абсолютних рівнів температур прийому тепла низького потенціалу й передачі тепла підвищеного температурного потенціалу. Так, у триконтурній системі теплового насоса кріогенного рівня температур як циркулюючі у контурах робочих тіл можуть використовуватися гази, термодинамічні властивості яких забезпечують мінімальну ~10 °C різницю температур початку кипіння (конденсації) теплоносіїв, наприклад, при висококиплячому метані як низькокиплячий - повітря, відкидний азот, проміжний (власний) - азот або при висококиплячому кисні як низькокиплячий - повітря (відкидний азот), проміжний (власний) - азот. Для забезпечення технічного результату достатньо, щоб у власному контурі теплового насоса запропонованого виду як робоче тіло використовувався кріоагент, у якого на рівні високих тисків циклу температура конденсації була вище температури кипіння висококиплячого кріогенного газу, а на рівні низьких тисків циклу після розширення - нижче температури кипіння зріджуваного низькокиплячого кріоагента. Поставлена задача досягається тим, що в тепловому насосі для зрідження кріогенних газів, який містить контур власного кріоагента, що включає перший компресор з кінцевим холодильником, випарник для прийому тепла низького температурного потенціалу, конденсатор для передачі тепла підвищеного температурного потенціалу, дросель, три регенеративних теплообмінники, з яких, з'єднані паралельно перший і другий, зв'язані порожнинами прямого 1 UA 100103 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 потоку по входу з кінцевим холодильником першого компресора, а по виходу - з порожниною прямого потоку конденсатора, порожнина зворотного потоку другого теплообмінника зв'язана із входом компресора, третій теплообмінник порожниною зворотного потоку зв'язаний із другим теплообмінником і порожниною прямого потоку по входу сполучений з порожниною прямого потоку конденсатора, а по виходу - із дроселем, пов'язаним з порожниною випарника, згідно з винаходом, пристрій додатково включає контури конденсовного та випарного кріоагентів, при цьому контур випарного кріоагента виконаний з послідовно з'єднаних ємності висококиплячого зрідженого газу, порожнин зворотного потоку конденсатора-випарника і першого теплообмінника, другого компресора та ємності стисненого газу, а контур конденсовного кріоагента, включає третій компресор з кінцевим холодильником, сполучений по входу з ємністю зріджуваного газу, а по виходу через блок комплексного очищення з додатковою третьою порожниною прямого потоку другого теплообмінника, сполученою з порожниною прямого потоку випарника-конденсатора, що по виходу через другий дросель сполучена з ємністю низькокиплячого зрідженого газу. Тепловий насос для зрідження кріогенних газів включає контури конденсовного і випарного кріоагентів, що дозволяє здійснювати в контурах низькокиплячого, висококиплячого та проміжного (власного) теплоносіїв відбір тепла на кріогенних рівнях температур з переносом від контуру до контуру тепла кріогенного рівня температур, без передачі на рівень температур довкілля, для зрідження з мінімальними енерговитратами низькокиплячого кріоагента за рахунок випарювання висококиплячого кріоагента. Контур випарного висококиплячого кріоагента, виконаний з послідовно з'єднаних ємності висококиплячого зрідженого газу, порожнин зворотного потоку конденсатора-випарника і першого теплообмінника, другого компресора та ємності стисненого газу, дозволяє використовувати холод випарного кріоагента на малому перепаді температур між контуром власного кріоагента - робочого тіла теплового насоса і контуром випарного кріоагента, для зниження термодинамічних втрат необоротної теплопередачі. Контур конденсовного кріоагента, включає третій компресор з кінцевим холодильником, сполучений по входу з ємністю зріджуваного газу, а по виходу через блок комплексного очищення з додатковою третьою порожниною прямого потоку другого теплообмінника, сполученою з порожниною прямого потоку випарника-конденсатора, що по виходу через другий дросель сполучена з низькокиплячого зрідженого газу, що дозволяє ефективно використовувати холод власного, найбільш низькокиплячого, кріоагента теплового насоса для зрідження низькокиплячого кріоагента з вихідною температурою довкілля. На фігурі подано принципову схему теплового насоса для зрідження кріогенних газів. Тепловий насос для зрідження кріогенних газів містить основний контур передачі тепла на проміжному, найбільш низькокиплячому, кріоагенті та суміжні з основним контури низькокиплячого і висококиплячого кріоагентів. Кожний із кріоагентів системи проходить через герметичні порожнини теплообмінників, елементи контурів і трубопроводи, що призначені тільки для одного робочого тіла. Тепловий насос для зрідження кріогенних газів містить контур власного кріоагента, що включає перший компресор 1 з кінцевим холодильником 2, випарник-конденсатор 3 для прийому тепла низького температурного потенціалу, конденсатор-випарник 4 для передачі тепла підвищеного температурного потенціалу, три регенеративних теплообмінники 5, 6, 7. Перший і другий теплообмінники 5 і 6, з'єднані паралельно, зв'язані порожнинами прямого потоку по входу з кінцевим холодильником 2 першого компресору 1, а по виходу - з порожниною прямого потоку конденсатора-випарника 4. Порожнина зворотного потоку першого теплообмінника 5 зв'язана із входом другого компресора 8, пов'язаного з ємністю стисненого газу 9. Третій теплообмінник 7 порожниною зворотного потоку зв'язаний із порожниною зворотного потоку другого теплообмінника 6 і порожниною прямого потоку по входу сполучений з порожниною прямого потоку конденсатора-випарника 4, а по виходу - з першим дроселем 10, пов'язаним з порожниною зворотного потоку випарника-конденсатора 3. Пристрій включає контури конденсовного і випарного кріоагентів. Контур випарного кріоагента виконаний з послідовно з'єднаних з ємністю 11 висококиплячого зрідженого газу, зворотних порожнин конденсатора-випарника 4 і першого теплообмінника 5, другого компресора 8 та ємності стисненого газу 9. Контур конденсовного кріоагента включає третій компресор 12 з кінцевим холодильником 13, сполучений по входу з ємністю 14 зріджуваного кріогенного газу, а по виходу - через блок комплексного очищення 15 з додатковою третьою порожниною прямого потоку другого теплообмінника 6, сполученою з порожниною прямого потоку випарника-конденсатора 3, що по виходу через другий дросель 16 сполучена з ємністю низькокиплячого зрідженого газу 17. 2 UA 100103 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Тепловий насос для зрідження кріогенних газів працює в такий спосіб. Стиснений у компресорі 1 власний найбільш низькокиплячий кріоагент, що циркулює в проміжному замкнутому контурі, прохолоджується до температури довкілля в кінцевому холодильнику 2 і розділяється на два потоки. Перший потік прохолоджується в порожнині високого тиску першого теплообмінника 5 парою газифікованого висококиплячого кріоагента. Другий потік у порожнині високого тиску другого теплообмінника 6 прохолоджується газоподібним власним кріоагентом низького тиску циклу теплового насоса, нагрітим зворотним потоком третього теплообмінника 7 до температур, що не перевищують температури його конденсації за тиску конденсаторавипарника 4. Охолоджені в першому і другому теплообмінниках 5 і 6, відповідно, потоки високого тиску власного (проміжного) кріоагента надходять на зрідження в порожнину високого тиску конденсатора-випарника 4. Тиск нагнітання першого компресора 1 замкнутого проміжного контуру теплового насоса заданий за температурним напором конденсатора-випарника 4 не менш 2-3 К. При цьому температура конденсації робочого тіла теплового насоса на високих тисках нагнітання компресора 1 перевищує температуру кипіння висококиплячого кріоагента за тиску конденсатора-випарника 4. Відведене тепло конденсації власного (проміжного) кріоагента забезпечує випарювання (википання) рідкого висококиплячого кріоагента, поданого з ємності 11 висококиплячого зрідженого газу. Зріджений найбільш низькокиплячий власний кріоагент високого тиску, що надходить із конденсатора-випарника 4, переохолоджується в третьому теплообміннику 7 власними парами низького тиску випарника-конденсатора 3. Переохолоджений власний кріоагент третього теплообмінника 7 розширюється зі зниженням тиску в дросельному вентилі 10 з одержанням двофазної суміші. Утворена після дроселювання рідка фаза википає у випарнику-конденсаторі 3, забезпечуючи зрідження охолодженого низькокиплячого кріоагента. Пару робочого тіла власного кріоагента теплового насоса через регенеративні протиструминні теплообмінники третій 7 і другий 6, відповідно, повертають на повторний стиск у компресорі 1. Низькокиплячий зріджуваний кріогенний газ із ємності 14 піддається стиску в третьому компресорі 12, доохолоджується до температур довкілля в холодильнику 13 і через блок 15 комплексного очищення нагнітається в додаткову третю порожнину підвищеного тиску другого теплообмінника 6. У блоці комплексного очищення 15 низькокиплячий кріоагент очищується від домішок, які переходять у тверду фазу за кріогенних температур. Охолоджений низькокиплячий кріоагент із ємності 14 зріджується у випарнику-конденсаторі 3 і через дросельний вентиль 16 надходить у кріогенну ємність 17 низькокиплячого зрідженого газу. Надлишковий тиск компресора 12 забезпечує достатню величину температурного напору у випарнику-конденсаторі 3 на рівні не менш 2-3 К, після подолання гідравлічного опору порожнини прямого потоку теплообмінника 5. Додатковий механізм забезпечення температурного напору необхідний у тих випадках, коли низькокиплячий і власний кріоагенти близькі за складом, наприклад, азот і відкидний азот повітророзподільної установки. Регулювання температурного напору у випарнику-конденсаторі З здійснюється дросельним вентилем 16. Для прокачування робочого тіла теплового насоса (наприклад, чистого азоту) використаний компресор, що працює на стандартних мастилах з охолодними середовищами повітря-вода, на вхід якого подають азот з температурою, на 10 °C нижче температури довкілля. Контур теплового насоса забезпечує відбір тепла з більш низького кріогенного рівня температур наприклад, азотного низькокиплячого теплоносія, і передачу цього тепла на більш високий, кріогенний наприклад, метановий рівень температури. Підвищення температурного потенціалу низькотемпературного тепла відбувається на величину, що не перевищує абсолютного рівня температури прийому низькопотенціального тепла. Наприклад, при вихідному температурному рівні прийому тепла від зріджуваного кріогенного газу близько 80 К підвищений температурний потенціал цього тепла не буде перевищувати 160 К. За рахунок невеликої різниці рівнів температури прийому і передачі тепла кріогенним тепловим насосом, зрідження конденсовного кріоагента здійснюється з високою енергетичною ефективністю. Так, при зрідженні 1 кг повітря атмосферного тиску з вихідною температурою 300 К ідеальним зріджувачем з передачею відібраного тепла з потенціалом температури 80 К у довкілля на рівень кімнатних температур необхідно витратити 741 кДж роботи. При використанні скидного холоду регазифіковного метану на 1кг зрідженого повітря такого ж початкового стану з використанням ідеалізованого запропонованого пристрою, який функціонує з малими величинами технічних втрат, енерговитрати знижуються до 433 кДж/кг або в 1,7 разу. 3 UA 100103 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 Тепловий насос для зрідження кріогенних газів, який містить контур власного кріоагента, що включає перший компресор з кінцевим холодильником, випарник для прийому тепла низького температурного потенціалу, конденсатор для передачі тепла підвищеного температурного потенціалу, дросель, три регенеративних теплообмінники, з яких перший і другий з'єднані паралельно і зв'язані порожнинами прямого потоку по входу з кінцевим холодильником першого компресора, а по виходу - з порожниною прямого потоку конденсатора, порожнина зворотного потоку другого теплообмінника зв'язана із входом компресора, третій теплообмінник порожниною зворотного потоку зв'язаний із другим теплообмінником і порожниною прямого потоку по входу сполучений з порожниною прямого потоку конденсатора, а по виходу - із дроселем, пов'язаним з порожниною випарника, який відрізняється тим, що він додатково включає контури конденсовного та випарного кріоагентів, при цьому контур випарного кріоагента виконаний з послідовно з'єднаних ємності висококиплячого зрідженого газу, порожнин зворотного потоку конденсатора-випарника і першого теплообмінника, другого компресора та ємності стисненого газу, а контур конденсовного кріоагента включає третій компресор з кінцевим холодильником, сполучений по входу з ємністю зріджуваного газу, а по виходу через блок комплексного очищення з додатковою третьою порожниною прямого потоку другого теплообмінника, сполученою з порожниною прямого потоку випарника-конденсатора, що по виходу через другий дросель сполучена з ємністю низькокиплячого зрідженого газу. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4