CN105498270B

CN105498270B - 一种超音速高压节流冷凝装置

Info

Publication number: CN105498270B
Application number: CN201610024746.5A
Authority: CN
Inventors: 张日葵; 曹先伟; 傅洁
Original assignee: Nanjing Innovation Research Institute Of Peking University; Nanjing Peking University Gooding Innovation Co Ltd
Current assignee: Nanjing Innovation Research Institute Of Peking University; Nanjing Peking University Gooding Innovation Co Ltd
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2036-01-15
Also published as: CN105498270A

Abstract

本发明涉及一种超音速高压节流冷凝装置，其特征在于，所述高压节流冷凝装置从入口到出口依次包括入口段、拉法尔喷管段、整流分离段以及出口段，所述拉法尔喷管段内设置有中间结构体，所述中间结构体为楔形或纺锤形或者锥形结构体。该装置整体结构设计巧妙、紧凑，成本较低，并且可以显著降低冷凝装置扩张段内的激波强度及其由此产生的能量损失，从而显著提高节流冷凝效果和液体析出效率。

Description

一种超音速高压节流冷凝装置

技术领域

本发明涉及一种冷却装置，具体涉及一种超音速高压节流冷凝装置，属于冷凝装置技术领域。

背景技术

作为一种洁净、优质能源，天然气在全球能源结构中的地位越来越突出。天然气液化和分离是石油化工生产的重要技术领域。基于气体可压缩原理的超音速高压低温节流冷凝技术是目前一项制备液化天然气的新型技术。相对于传统的换热冷却技术来说，超音速高压低温节流冷凝技术具有显著的成本低、能耗低、效率高等优势，目前已在石油化工领域具有重要应用，此外在空调等制冷行业也有应用。现有技术中的冷凝装置的主要缺陷在于，当进出口压力偏离设计状态时，超音速气体通常会在扩张段处形成正激波现象。正激波是一种很强的物理间断面。跨过激波面，气体压力、密度、温度急剧增大，动能转化为内能和热。因此，激波现象将破坏分离段内的低温、低压环境，导致已经析出的液滴重新挥发成气体，从而显著降低超音速节流冷凝效果和液体分离效果。本领域的技术人员一种想解决该问题，但是该一直没有理想的技术方案。

发明内容

针对上述激波导致的能量损失问题，本发明提供了一种超音速高压节流冷凝装置，该装置整体结构设计巧妙、紧凑，成本较低，并且可以显著降低冷凝装置扩张段内的激波强度及其由此产生的能量损失，从而显著提高节流冷凝效果和液体析出效率。

为了实现上述技术目标，本发明的技术方案如下：一种超音速高压节流冷凝装置，其特征在于，所述高压节流冷凝装置从入口到出口依次包括入口段、拉法尔喷管段、整流分离段以及出口段，所述拉法尔喷管段内设置有中间结构体。该中间结构体，可以将高压高速气流经过拉法尔喷管扩张段时普遍存在的正激波转变为斜激波，从而大幅降低该区域内气流的压力、密度和温度增幅，也即降低激波所导致的动能损失和熵增，提高扩张段和分离段内的液体冷凝量及整个高压节流装置的冷凝效率。

作为本发明的一种改进，所述中间结构体为楔形或纺锤形或者锥形结构体，针对不同的管道，采用不同的形状，其中平面楔形适用于矩形管道；锥形和纺锤形结构体适用于轴对称管道。

作为本发明的一种改进，所述出口段内设置有环形装置103。设置环形装置主要是为了加速液体析出进程，设置环形装置后，使得冷却装置变成双层结构，即：外侧环形腔室或管道OO₁，用于快速导出凝结的液体；轴对称内管道OO₂，用于输出剩余气体。一般地，冷凝液体体积远小于剩余气体体积（二者密度相差10³量级），因此，外侧管道OO₁的横截面积远小于内管道OO₂。

作为本发明的一种改进，所述拉法尔喷管段由亚音速收缩段和超音速膨胀段组成，其中亚音速收缩段管道横截面逐渐缩小，超音速膨胀段管道横截面逐渐增大。在亚音速段，由于管道横截面不断缩小，因此注入的气体被压缩、速度增大，直至在管道喉部T处气体速度达到当地音速；在超音速段TQS，管道横截面增大，气体急剧膨胀，压力势能和内能转化为动能，因此气体速度进一步增大至超音速状态，气体密度、压力和温度急速下降，部分气体冷凝成液体并从混合气中析出。

作为本发明的一种改进，所述入口段为圆柱型管道或者腔室，用于容纳上游输入的高压气流。入口段上设置有入口端面，所述出口段上设置出口端面，所述入口端面、出口端面采用高强度钢或者合金材料。入口端面101与外部高压气罐或高压管道相连，为冷凝装置提供稳定的高压气流；出口端面102与低压容器或管道相连，用于接收节流冷凝后的低压低温气体和冷凝后的液体。

作为本发明的一种改进，所述拉法尔喷管喉部T的半径为R_t，其中R_t=2~15cm，所述中间结构体201顶点至拉法尔喷管喉部T的距离a的范围为0.1R_t<a<2R_t。

作为本发明的一种改进，所述环形装置采用高强度钢或者合金材料。经济耐用，使用时间长。

相对于现有技术，本发明的优点如下：1）该技术方案整体结构设计巧妙，紧凑；2）该技术方案利用在高压节流装置拉法尔喷管扩展段内的中间结构体，可以将节流冷凝时在拉法尔喷管扩张段内普遍存在的正激波转化为斜激波，从而大幅降低气流经过激波时的压力、密度和温度增幅，也即降低激波所导致的动能损失和熵增，提高扩张段TQS和分离段SO内的液体冷凝量和冷凝效率；3）该技术方案中所述的入口端面、出口端面以及环形装置等一般采用高强度钢或合金材料制造，经济耐用，实用时间长。

附图说明

图1为高压节流冷凝装置剖视图；

图2为扩张段内的激波形态示意图；

图3为气体压力P、温度T随流道位置（J-T-Q-S）的变化曲线；

图4为气体速度（马赫数M）随流道位置（J-T-Q-S）的变化曲线；

图5为中间结构体几种形状结构示意图；其：(a)平面楔形、 (b)锥形、(c)纺锤形、

图中：1、整个节流冷凝装置，101、入口端面，102、出口端面，103、环形装置，IJ、入口段，JTQS、拉法尔喷管段，SO、整流分离段，OO₁出口段,201、中间结构体。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步阐述本发明。

实施例1：参见图2、图3，一种超音速高压节流冷凝装置，所述高压节流冷凝装置从入口到出口依次包括入口段IJ、拉法尔喷管段JTQS、整流分离段SO以及出口段OO₁，所述拉法尔喷管段JTQS内设置有中间结构体201。该中间结构体，可以将高压高速气流经过拉法尔喷管扩张段时普遍存在的正激波转变为斜激波，从而大幅降低该区域内气流的压力、密度和温度增幅，也即降低激波所导致的动能损失和熵增，提高扩张段和分离段内的液体冷凝量及整个高压节流装置的冷凝效率。所述入口段为圆柱型管道或者腔室，用于容纳上游输入的高压气流。入口段上设置有入口端面101，所述出口段上设置出口端面102，所述入口端面101、出口端面102采用高强度钢或者合金材料。入口端面101与外部高压气罐或高压管道相连，为冷凝装置提供稳定的高压气流；出口端面102与低压容器或管道相连，用于接收节流冷凝后的低压低温气体和冷凝后的液体。

实施例2：参见图2、图3，作为本发明的一种改进，所述中间结构体201为楔形或纺锤形或者锥形结构体，针对不同的管道，采用不同的形状，其中平面楔形适用于矩形管道；锥形和纺锤形结构体适用于轴对称管道。

实施例3：参见图2、图3，作为本发明的一种改进，所述出口段内设置有环形装置103。设置环形装置主要是为了加速液体析出进程，设置环形装置后，使得冷却装置变成双层结构，即：外侧环形腔室或管道OO₁，用于快速导出凝结的液体；轴对称内管道OO₂，用于输出剩余气体。一般地，冷凝液体体积远小于剩余气体体积（二者密度相差10³量级），因此，外侧管道OO₁的横截面积远小于内管道OO₂。，所述拉法尔喷管段由亚音速收缩段和超音速膨胀段组成，其中亚音速收缩段管道横截面逐渐缩小，超音速膨胀段管道横截面逐渐增大。在亚音速段，由于管道横截面不断缩小，因此注入的气体被压缩、速度增大，直至在管道喉部T处气体速度达到当地音速；在超音速段TQS，管道横截面增大，气体急剧膨胀，压力势能和内能转化为动能，因此气体速度进一步增大至超音速状态，气体密度、压力和温度急速下降，部分气体冷凝成液体并从混合气中析出。

工作原理：参见图1-图5，一种超音速高压节流冷凝装置，所述高压节流冷凝装置从入口到出口依次包括入口段IJ、拉法尔喷管段JTQS、整流分离段SO以及出口段OO₁，所述拉法尔喷管段JTQS内设置有中间结构体201，该结构体201顶点至拉法尔喷管喉部T的距离记为a，本设计方案的工作原理是：气流（速度、压力、温度分别记为U_i、P_i、T_i）经过拉法尔喷管收缩段JT时在喉部T处被加速到音速；之后进入扩张段TQS，气流处于超音速状态，气体压力、密度、温度急剧下降，速度继续增大，部分气体由于处于过饱和状态而被凝结成液体，并从气体中析出；此时，由于出口背压P_o较大、气体过渡膨胀等物理原因或者是管道壁面粗糙等几何结构原因，在扩张段的Q处将出现激波，但激波将首先作用在楔形结构体201上。如图2所示，由于结构体201前缘呈小角度，因此激波301经过201前缘反射后转变为斜激波302。相对于正激波来说，斜激波302的强度（即气体物理量如压力、密度、温度、速度等在激波面两侧的变化量）要弱很多，也即斜激波产生的动量损失、熵增等明显小于正激波。这样当气流经过斜激波302时，气体（或已析出的液滴）的温度、压力、密度增量将明显小于图1所示的原始设计方案，气体与液滴组成的混合气流仍可以保持较高的超音速流动形态，部分气体由于处于过饱和状态将进一步凝结成液体并被析出，该技术方案由于楔形结构体201的存在，将显著降低正激波对下游混合气（气体与液滴）的动量损失及熵增等不利影响，从而有利于提高分离段SO内的液体冷凝量和冷凝效率。图3、图4分别给出了气体经过拉法尔喷管段（J-T-Q-S）时其压力P、温度T、马赫数M（即气流速度与当地音速的比值）随流道位置的变化曲线（理论计算值）。在相同的外部条件下，在正激波301形成之前（即Q点以前），本设计方案中的气体压力、温度及流动马赫数与现有结构中所示的原始设计方案一致。但经过Q点时，原始设计方案中由于存在正激波，其压力、温度将急剧增加，并将沿虚线增长至图3所示的P3、T3，类似地，气流马赫数M将沿图4所示的虚线降低至M3；而在本设计方案中，由于Q点处的正激波已转变为斜激波302，因此，气体压力、温度增长幅值将明显小于原始设计方案，并将沿图3所示实线变化至P4、T4，类似地，气流马赫数M将沿图4所示的实线下降至M4。综合来看，斜激波302作用下的压力P4、温度T4将明显小于正激波作用下的P3、T3，这意味着混合气中有更多的气体处于过饱和状态，因此液体冷凝量和冷凝效率更高。图3中的P2、T2和图4中的M2对应于拉法尔喷管中完全不存在激波损失的理想状态，在工程实际中一般很难实现或者仅在个别工作状态下出现。

在该技术方案中，楔形结构201至拉法尔喷管喉部T的距离a是一个关键参数。如图1所示，记管道喉部T的半径为R_t。一般地，R_t =2~15cm，则a的合理范围为0.1R_t<a<2R_t。

此外，中间结构体201的几何形状及参数也至关重要。如图5所示，本申请推荐采用平面楔形、锥形或纺锤形。其中，平面楔形适用于矩形管道，楔形宽度b与管道宽度保持一致；锥形和纺锤形适用于轴对称管道。楔形、锥形或纺锤形前缘夹角α以1^o-10^o为宜，半长l以0.1R_t-R_t为宜。

应用实例1：节流冷凝管道101与图1所述的方案一致，其中拉法尔喷管喉道T的半径R_t =5cm。中间结构体201采用锥形设计，前缘倾角α=2^o，半长l=0.5R_t，前缘顶点至喉道的距离a=1.0R_t。管道入口的气体介质及状体参数与上一致。但采用本方案时，在出口O处的液态甲烷质量占比可以提高至38.5%，即冷凝效率比现有技术提高43.7%。

应用实例2：节流冷凝管道101与与图1所述的方案一致，其中拉法尔喷管喉道T的半径R_t =15cm。中间结构体201采用纺锤形形设计，前缘倾角α=1.5^o，半长l=0.8R_t，前缘顶点至喉道的距离a=0.6R_t。管道入口的气体介质及状体参数与上一致。但采用本方案时，在出口O处的液态甲烷占比可以提高至35.2%，即冷凝效率比现有技术提高31.3%。

本发明还可以将实施例2、3所述技术特征中的至少一个与实施例1组合形成新的实施方式。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims

1.一种超音速高压节流冷凝装置，其特征在于，所述高压节流冷凝装置从入口到出口依次包括入口段、拉法尔喷管段、整流分离段以及出口段，所述冷凝装置内部，拉法尔喷管段与整流分离段之间的位置处设置有中间结构体，所述中间结构体为纺锤形或者锥形结构体，所述出口段内设置有环形装置，所述拉法尔喷管段由亚音速收缩段和超音速膨胀段组成，其中亚音速收缩段管道横截面逐渐缩小，超音速膨胀段管道横截面逐渐增大，所述入口段为圆柱型腔室，用于容纳上游输入的高压气流，所述拉法尔喷管喉部T的半径为R_t，其中R_t=2~15cm，所述中间结构体前缘至拉法尔喷管喉部T的距离a的范围为0.1R_t<a<2R_t。

2.根据权利要求1所述的超音速高压节流冷凝装置，其特征在于，入口段上设置有入口端面，所述出口段上设置出口端面，所述入口端面、出口端面采用高强度钢或者合金材料。

3.根据权利要求2所述的超音速高压节流冷凝装置，其特征在于，所述环形装置采用高强度钢或者合金材料。