Патент на изобретение №2193739

(54) СПОСОБ РАБОТЫ ОХЛАЖДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА И ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

(57) Реферат:

Изобретение относится к холодильной технике. Поток сжатого газа охлаждают в теплообменнике, затем расширяют в двухпоточной вихревой трубе, причем ее горячий поток подается на вход прямого потока рекуперативного теплообменника, а холодный – на вход его обратного потока. В результате удается повысить эффективность охлаждения, при этом теплообменник работает при пониженных давлениях, что упрощает и удешевляет конструкцию. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области создания охлаждающих и ожижающих устройств, работающих на использовании свойств расширяющегося газового потока.

Известен способ работы охлаждающего устройства, включающий разделение потока газа на два потока, один из которых подается в теплообменник, а другой – в расширитель для отбора части энергии сжатого газа. Такой способ реализуется в конструкции, описанной в [1, рис.36, с.68]. При этом известное охлаждающее устройство содержит разделитель потока газа, расширитель, теплообменник, дроссель и холодоприемник. В качестве расширителя используется или обычный дроссель, или детандер.

Чаще всего в качестве расширителя используется детандер, имеющий наиболее высокую эффективность. Но его применение в простых охлаждающих устройствах ограничено высокой стоимостью и сложностью в эксплуатации. Поэтому в такой ситуации в качестве расширителя применяется обычный дроссель. Однако он имеет малую эффективность, что является недостатком.

Кроме того, известное охлаждающее устройство с дроссельным расширителем имеет громоздкий рекуперативный теплообменник, что также является недостатком.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения и упростить конструкцию.

Указанная цель достигается тем, что в разделителе потока газ, поступающий в исходном термодинамическом состоянии, разделяется на горячий и холодный потоки. Горячий поток подают на вход прямого потока теплообменника, а холодный поток вихревой трубы подают на вход обратного потока или на выход прямого потока рекуперативного теплообменника. При этом горячий поток перед подачей в теплообменник предварительно выхолаживают.

Для реализации предлагаемого способа разделитель потока газа выполняется в виде двухпоточной вихревой трубы [2], горячий поток которой подключается к входу прямого потока теплообменника. Холодный конец такой вихревой трубы подключается или к выходу прямого потока, или к входу обратного потока рекуперативного теплообменника. При этом между горячим концом вихревой трубы и входом прямого потока рекуперативного теплообменника включается теплообменник наружного теплообмена. Или же горячий конец вихревой трубы подключается к входному патрубку прямого потока рекуперативного теплообменника через тройник, связанный с источником газа, имеющим температуру более низкую, чем температура горячего потока вихревой трубы.

Предлагаемый способ работы устройства для охлаждения реализуется в конструкции, изображенной на фиг. 1-7.

Устроена предлагаемая конструкция следующим образом (фиг.1).

Входной патрубок 1 соединен с входом 2 разделителя потока рабочей среды, выполненным в виде двухпоточной вихревой трубы 3. Горячий конец 4 двухпоточной вихревой трубы 3 подключен к входу 5 прямого потока 6 рекуперативного теплообменника 7.

Выход 8 прямого потока 6 теплообменника 7 посредством трубопровода 9 соединен с дросселем 10. Выход 11 дросселя 10 является входом холодоприемника (блока сжижения) 12. Сливной патрубок 13 холодоприемника перекрыт вентилем (на чертежах не показан).

Выход 14 холодоприемника 12 с помощью трубопровода 15 и смесителя (тройника) 16 присоединен ко входу 17 обратного потока 18 теплообменника 7. К этому же смесителю (тройнику) 16 с помощью трубопровода 19 присоединен холодный конец 20 вихревой трубы 3.

Выход 21 обратного потока 18 теплообменника 7 с помощью трубопровода 22 подсоединен к выходному патрубку 23 охлаждающего устройства. Горячий конец 4 вихревой трубы 3 присоединен к входному патрубку 5 прямого потока 6 теплообменника 7 с помощью трубопровода 24.

Горячий конец 4 может соединяться с входным патрубком 5 теплообменника через трубопровод 24 и теплообменник наружного теплообмена 25 (фиг.2).

Входной патрубок 1 охлаждающего устройства может дополнительно соединяться с входным патрубком 5 теплообменника 7, минуя вихревую трубу 3, с помощью тройника-разделителя 26 (фиг.3), вентиля-регулятора 27, дросселя 28, трубопровода 29 и тройника-смесителя 30.

Холодный патрубок 20 вихревой трубы 3 может соединяться или (фиг. 1-3, 5) с входным патрубком 17 обратного потока 18 теплообменника 7 и с выходным патрубком 14 холодоприемника 12 через тройник-смеситель 16, или (фиг. 4, 6 и 7) с выходным патрубком 8 прямого потока 6 теплообменника 7 и с дросселем 10 через тройник-смеситель 31.

В зависимости от поставленной задачи рекуперативный теплообменник во всех рассматриваемых конструкциях может состоять или из одной части 7 (фиг. 1-4 и 7), или из двух частей 7 и 32 (фиг. 5 и 6).

Рассматриваемое устройство для реализации предлагаемого способа работает следующим образом (см фиг.1).

Поступающее через входной патрубок 1 в исходном термодинамическом состоянии рабочее тело (сжатый газ) в разделителе потоков – вихревой трубе 3 разделяется на два потока 33 и 34. При этом в вихревой трубе в процессе интенсивного вращения входящего потока 2 происходит энергоразделение упомянутых потоков, в результате образуется выходной горячий поток 33 и холодный поток 34, имеющие существенно разные температуры.

Холодный поток газа 34 вихревой трубы 3 по трубопроводу 19 поступает в смеситель (тройник) 16, а горячий 33 по трубопроводу 24 – в патрубок 5 теплообменника 7. Сюда же в тройник 16 из трубопровода 15 подается холодный обратный поток из холодоприемника 12.

Смешанный холодный обратный поток 18 в теплообменнике 7 (составленный из холодного потока 34 вихревой трубы и обратного холодного потока 14, возвращаемого из холодоприемника 12) подогревается, выхолаживая теплый прямой поток 6, и поступает в выхлопной трубопровод 22, из которого через патрубок 23 подается на выход устройства для охлаждения.

Охлажденный от обратного потока 18 прямой поток 6 теплообменника 7 из патрубка 8 поступает в дроссель 10, где дросселируется (расширяется и дополнительно охлаждается). В нем образуются две фазы: жидкая и газообразная. Поступая в холодоприемник 12 двухфазный поток разделяется – жидкость скапливается на дне сосуда, откуда может быть слита через патрубок 13, а холодная газообразная фаза уходит вверх и через патрубок 14 по трубопроводу 15 поступает в смеситель 16, где смешивается с холодным потоком 34, подаваемым по трубопроводу 19, и образует холодный обратный поток 18 теплообменника 7, выхолаживающий прямой поток 6.

В зависимости от термодинамической задачи холодный поток 34 вихревой трубы 3 может смешиваться или (фиг. 1) в смесителе 16 с холодным обратным потоком 14 из трубопровода 15, поступающим из холодоприемника 12, или (фиг. 4) в тройнике-смесителе 31 с холодным прямым потоком 6, поступающим через патрубок 8 из теплообменника 7. При этом вихревая труба 3 будет работать в существенно разных режимах, например:
а) по фиг. 1 в режиме максимальной холодопроизводительности (при _хол 0,65 холодного конца 34 [2, с. 65];
по фиг.4 в режиме с минимальной температурой (при _хол 0,35 холодного конца 34 [2, с. 65].

Поскольку на вход 5 прямого потока 6 теплообменника 7 из патрубка 4 вихревой трубы 3 подается горячий газ, то представляется возможным повысить термодинамическую эффективность процесса дросселирования на дросселе 10. Для этого достаточно сбросить нежелательное тепло, поступающее на вход прямого потока рекуперативного теплообменника. С этой целью горячий поток 33, выходящий из патрубка 4, необходимо пропустить через очень простой (по сравнению с рекуперативным) теплообменник наружного теплообмена – охладитель 25 (фиг. 2).

Кроме того, такого же эффекта снижения входной температуры прямого потока 6 можно достигнуть, если к этому основному прямому потоку, подаваемому на вход 5 теплообменника 7, производить подмешивание газа с температурой более низкой, чем температура горячего потока второй вихревой трубы.

Для этого необходимо в патрубок 5 дополнительно подавать газ из любого холодного источника, например (фиг. 3), пропуская его из входного патрубка 1 через тройник-разделитель 26, регулировочный вентиль 27, дроссель 28, по трубопроводу 29 в тройник-смеситель 30 в исходном термодинамическом состоянии, минуя вихревую трубу. При этом регулировочный вентиль 27 позволяет таким образом регулировать процесс дросселирования такого газа через дроссель 28, чтобы на входе 5 в теплообменник 7 температура газовой смеси была не выше требуемой температуры обратного потока на выходе из патрубка 23 (без учета недорекуперации).

Вихревая труба 3 в предлагаемых схемах, по сути, работает в режиме обычного дросселя, особенно по фиг. 4, 6 и 7, поскольку оба выходящих теплопотока (холодный и горячий) сначала разделяются, а потом все равно смешиваются в смесителе 31. Но благодаря тому, что в теплообменник 7 в качестве прямого потока 6 заводится не холодный, а горячий поток, и он предварительно доохлаждается в теплообменнике наружного теплообмена 25 (или за счет смешения с более холодным потоком), то удается избежать потери холода и не возникает необходимость применения второго рекуперативного теплообменника (для улавливания этого холода). Возможность охлаждения горячего потока вихревой трубы перед подачей его в теплообменник повышает термодинамическое качество всего охлаждающего устройства, т.е. повышает коэффициент ожижения (по сравнению с прототипом).

Другой функцией вихревой трубы 3 в рассматриваемом устройстве является возможность снижения рабочего давления прямого потока 6 в теплообменнике 7 при сохранении эффективного функционирования устройства. Вихревая труба 3 снижает (сбрасывает) давление прямого потока 6 без потери (или даже с повышением) общего термодинамического качества. Например, представляется возможным функционирование такого устройства от входного давления природного газа 80-100 атм при наличии в рассматриваемой схеме рекуперативного теплообменника с максимальным рабочим давлением всего лишь 30-40 атм. Это резко уменьшает его стоимость, а как известно, самым дорогостоящим элементом в рассматриваемой конструкции является именно рекуперативный теплообменник.

Таким образом, предложение, позволяющее уменьшить рабочее давление в теплообменнике, позволяет значительно упростить и удешевить такой теплообменник и, следовательно, упростить все охлаждающее устройство. Кроме того, использование вихревой трубы для расширения газа повышает термодинамическую эффективность устройства, поскольку в любом случае термодинамическая эффективность обычного дросселя всегда ниже такой же эффективности вихревой трубы.

В любой технологии ожижения газа используется принцип удаления (или вывода) из потока газа излишней энергии в виде тепла. Так как вихревая труба способна вырабатывать тепло, то облегчается его удаление, а это и позволяет увеличивать коэффициент ожижения. В этом состоит основная техническая сущность изобретения.

Предлагаемое техническое решение может быть применимо не только в системах ожижения газа, но и для других целей, например, для работы в рефрижераторном режиме, в кондиционерах, в специальных технологиях и т.п.

Источники информации
1. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения, том 1, ред. В.И. Епифанова и Д.С. Аксельрод. – М.: Машиностроение, 1973 г.

2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. – М.: Машиностроение, 1969.

Формула изобретения

1. Способ работы охлаждающего устройства, включающий охлаждение прямого потока сжатого газа в теплообменнике, расширение и отделение образовавшейся жидкой фазы от газообразной фазы, которую подают в теплообменник обратным потоком, отличающийся тем, что перед охлаждением исходный поток газа направляют в вихревую трубу, из которой отводят горячий и холодный потоки, причем горячий поток подают прямым потоком на охлаждение в теплообменник, а холодный поток смешивают или с прямым потоком после охлаждения в теплообменнике перед расширением, или с обратным потоком после отделения жидкой фазы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горячий поток, выходящий из вихревой трубы, предварительно охлаждают.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что горячий поток предварительно охлаждают в теплообменнике наружного теплообмена.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что горячий поток предварительно охлаждают посредством подмешивания в него газа с температурой более низкой, чем температура горячего газа вихревой трубы.

5. Охлаждающее устройство, содержащее источник сжатого газа, двухпоточный рекуперативный теплообменник, расширитель и холодоприемник, имеющий жидкостную и газовую полости, причем последняя соединена с входом обратного потока теплообменника, отличающееся тем, что оно снабжено вихревой трубой, горячий выход которой соединен с входом прямого потока теплообменника, а холодный патрубок вихревой трубы соединен или с выходом прямого потока теплообменника перед расширителем, или с входом обратного потока теплообменника после отделителя жидкой фазы.

6. Охлаждающее устройство по п. 5, отличающееся тем, что теплообменник выполнен с охладителем потока, установленным за выходом горячего потока вихревой трубы.

7. Охлаждающее устройство по п. 6, отличающееся тем, что охладитель потока выполнен в виде теплообменника наружного теплообмена.

8. Охлаждающее устройство по п. 6, отличающееся тем, что охладитель выполнен в виде источника газа, имеющего температуру более низкую, чем температура горячего газа вихревой трубы.

РИСУНКИ